Квантовата механика винаги е поставяла под въпрос нашето ежедневно разбиране за реалността. В квантовия свят частиците могат да се намират в състояние на суперпозиция, тоест да заемат няколко възможни положения или конфигурации едновременно. Физиците описват тези възможности математически с помощта на вълновата функция.

Тази картина се различава значително от обикновения живот, където обектът се намира на едно място и в едно състояние във всеки момент от времето. За да преодолее тази разлика, стандартната квантова механика твърди, че при измерване или наблюдение на квантова система нейната вълнова функция колапсира в един-единствен определен резултат. Сега, с подкрепата на Института за фундаментални въпроси (FQxI), международен екип от физици е проучил една по-радикална възможност. Тяхната работа показва, че някои алтернативи на стандартната квантова механика, известни като модели на квантов колапс могат да имат неочаквани последствия за същността на самото време и за пределната точност на часовниците.

Резултатите, публикувани в списанието Physical Review Research също така сочат към възможен нов начин за проверка на тези неортодоксални теории в контекста на стандартната квантова механика.

„Взехме на сериозно идеята, че моделите на колапса могат да бъдат свързани с гравитацията, а след това си зададохме един много конкретен въпрос: какво означава това за самото време?“

казва Никола Бортолоти, докторант в Музея и изследователския център „Енрико Ферми“ (CREF) в Рим, който ръководи изследването

Още от 80-те години на миналия век физиците разработват модели, в които колапсът на вълновата функция не изисква измервателно устройство или наблюдател. Вместо това колапсът може да настъпи спонтанно. Това отличава тези идеи от много интерпретации на квантовата механика. Интерпретациите основно предлагат различни концептуални обяснения за това какво означава квантовата теория, но обикновено дават същите експериментални предсказания като стандартната квантова механика. Моделите на квантовия колапс отиват по-далеч, тъй като предсказват физически ефекти, които, поне на принципно ниво могат да бъдат измерени.

Бортолоти и колегите му разгледали два различни модела на колапс. Един от моделите е моделът на Диоши-Пенроуз. Той отдавна предполага, че гравитацията може да играе роля в принуждаването на квантовите системи да колапсират в определени състояния.
Изследователите са проучили и втори подход, наречен „непрекъсната спонтанна локализация“ и за първи път са установили количествена връзка между този модел и гравитационните флуктуации на пространство-времето.

Изчисленията на учените са довели до удивително заключение. Ако тези модели на колапс са верни, то самото време трябва да съдържа много малка собствена неопределеност. С други думи, може да съществува фундаментална граница на това колко точно изобщо може да се измери времето. Това не означава, че часовниците изведнъж ще станат ненадеждни. Предсказаният ефект е изключително малък.

Дори най-съвършените атомни часовници, които работят днес, или тези, които се очакват в обозримо бъдеще няма да бъдат достатъчно точни, за да забележат този ефект.

„Неопределеността е с много порядъци по-малка от всичко, което можем да измерим в момента, така че тя няма практически последствия за ежедневното измерване на времето. Нашите резултати ясно показват, че съвременните технологии за измерване на времето не са засегнати изобщо.“

споделиха учените

Работата засяга един от най-големите нерешени проблеми на съвременната физика: как да се съчетаят квантовата механика и гравитацията. Квантовата механика изключително успешно описва атомите, частиците и другите микроскопични системи. Общата теория на относителността на Айнщайн, от своя страна, описва гравитацията и поведението на пространството и времето в много по-големи мащаби, включително планети, звезди, галактики и дори самата Вселена. И двете теории се съгласуват отлично с експериментите в областите, в които се прилагат. Проблемът е, че те тълкуват времето по принципно различен начин.

Общата теория на относителността изповядва съвсем различна гледна точка. Пространството и времето са част от гъвкава структура, наречена пространство-време, която може да се изкривява и променя под въздействието на масата и енергията. Поради това несъответствие физиците от десетилетия търсят по-задълбочена теория, способна да обедини квантовата механика и гравитацията.

Новите резултати позволяват да се предположи, че моделите на колапс могат да съдържат подсказки за това как квантовата физика, гравитацията и времето в крайна сметка могат да бъдат обединени. Те носят и по-практическа полза. Тъй като моделите на колапс предсказват измерими ефекти, които се различават от стандартната квантова механика, изключително прецизни експерименти в крайна сметка биха могли да помогнат да се определи дали тези идеи описват нещо реално в природата.

„В света няма много фондации, които подкрепят изследвания на подобни фундаментални въпроси за Вселената, пространството, времето и материята. Нашата работа показва, че дори радикалните идеи за квантовата механика могат да бъдат проверени с помощта на точни физически измервания и че, което е успокоително, измерването на времето остава една от най-стабилните опори на съвременната физика.“

заявиха в заключение учените