Теория относительности Эйнштейна показала, что время не является фиксированным или универсальным — оно меняется в зависимости от скорости и силы гравитации. Однако когда ученые объединяют относительность с квантовой механикой, картина становится еще более странной. Квантовая теория предполагает, что само время может существовать в суперпозиции, то есть течь и быстрее, и медленнее одновременно.
Новое исследование показало, что уже скоро ученые смогут проверить эту причудливую идею в лаборатории. Работу возглавил ассистент-профессор Технологического института Стивенса Игорь Пиковски совместно с экспериментальными командами Кристиана Саннера из Университета штата Колорадо и Дитриха Лейбфрида из Национального института стандартов и технологий США (NIST).
Физики изучили, как передовые атомные часы могут выявить скрытые квантовые эффекты, связанные с течением времени. Согласно их выводам, те же технологии, которые разрабатываются для часов и квантовых компьютеров нового поколения, могут позволить ученым оценить, подчиняется ли само время квантовым правилам.
Один из ключевых принципов квантовой механики гласит, что объекты могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Эта концепция проиллюстрирована знаменитым мысленным экспериментом с котом Шредингера, который считается одновременно живым и мертвым до момента наблюдения. Ученые предполагают, что нечто подобное может происходить со временем: часы, движение которых подчиняется квантовым правилам, могут относиться к нескольким потокам времени одновременно.
«Время играет очень разные роли в квантовой теории и в теории относительности, — объясняет Пиковски. — Мы показываем, что объединение этих двух концепций может выявить скрытые квантовые сигнатуры течения времени, которые больше нельзя описать классической физикой».
Команда сосредоточилась на ионных часах, подобных тем, что разрабатываются в NIST и Университете штата Колорадо. Эти устройства захватывают отдельные ионы, например, алюминия или иттербия, охлаждают их до температур, близких к абсолютному нулю, и управляют их квантовыми состояниями с помощью лазеров.
«Атомные часы теперь настолько чувствительны, что могут обнаруживать крошечные различия во времени, вызванные только тепловыми вибрациями при ничтожных изменениях температуры, — говорит соавтор статьи, аспирант Габриэль Сорси. — При температуре абсолютного нуля на ход часов будут влиять исключительно квантовые флуктуации».
Ученые обнаружили, что в определенных условиях могут возникать совершенно новые квантовые эффекты, связанные со временем. Одни и те же часы могут эффективно идти быстрее и медленнее одновременно, а также становиться запутанными с собственным квантовым движением.
«У нас есть технологии для создания необходимого сжатия и путь к достижению той точности ионных часов, которая позволит впервые наблюдать эти эффекты», — отмечает Кристиан Саннер.
По словам Пиковски, дело не только в экзотическом эксперименте. Его предыдущие работы предполагают, что квантовые технологии в принципе могут приблизить нас к обнаружению единичных гравитонов — гипотетических квантов гравитации. Анализ квантовой природы времени — еще один шаг к тому, чтобы с помощью новых инструментов заглянуть в самые глубокие тайны физики.
Ранее физики создали экзотические формы материи, которые не должны существовать.