Fizycy właśnie odkryli wadę czasu. Pojawiły się kolejne tajemnice
Czas wydaje się najpewniejszym elementem naszej rzeczywistości, ale fizycy właśnie pokazali, że nawet on może mieć fundamentalną granicę dokładności. Nowe badania sugerują, że w głębi mechaniki kwantowej, grawitacji i samego upływu czasu może kryć się związek, którego dopiero zaczynamy szukać.
Mechanika kwantowa słynie z dziwnych i często sprzecznych z intuicją idei. W bardzo małych skalach cząstki nie zachowują się jak codzienne obiekty. Zamiast tego mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie, a koncepcja ta znana jest jako superpozycja. Problem ten opisuje najlepiej słynny eksperyment myślowy z kotem Schrödingera.
Fizycy opisują to dziwne zachowanie za pomocą obiektu matematycznego zwanego funkcją falową. Jednak ten obraz kłóci się z tym, co obserwujemy w życiu codziennym, gdzie obiekty zajmują jedno określone miejsce lub stan na raz.
Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zazwyczaj proponują, że gdy układ kwantowy jest mierzony lub oddziałuje z obserwatorem, jego funkcja falowa załamuje się w pojedynczy wynik. Dopiero pomiar sprawia, że widzimy jeden konkretny stan.
Właśnie w tym miejscu zaczyna się jeden z największych problemów współczesnej fizyki. Bo jeśli świat w mikroskali działa według reguł superpozycji, to dlaczego kubek na biurku nie stoi jednocześnie w kilku miejscach? Dlaczego my widzimy jeden, uporządkowany świat, a nie rozmazaną mieszaninę wszystkich możliwych stanów?
Nowa praca opublikowana w Physical Review Research pokazuje, że odpowiedź na to pytanie może prowadzić w bardzo nieoczekiwane miejsce: do samej natury czasu. Badacze analizujący tzw. modele kolapsu kwantowego doszli do wniosku, że jeśli pewne alternatywne wersje mechaniki kwantowej są prawdziwe, to czas nie może być idealnie dokładny. Istniałaby fundamentalna, niezwykle mała niepewność w jego odmierzaniu. Zbyt mała, by przeszkadzała zegarom atomowym, ale wystarczająco ciekawa, by fizycy potraktowali ją poważnie.
Potraktowaliśmy poważnie ideę, że modele kolapsu mogą być powiązane z grawitacją. A następnie zadaliśmy bardzo konkretne pytanie: Co to oznacza dla samego czasu? – mówi Nicola Bortolotti, doktorantka w Muzeum i Centrum Badań Enrico Fermiego (CREF) w Rzymie, która kierowała badaniami.
Więcej na Spider's Web:
Fizycy wracają do pytania, którego nie da się zamieść pod dywan
Jak wspomniałem na wstępie, w standardowym opisie mechaniki kwantowej stan cząstki opisuje funkcja falowa. Nie jest to zwykła mapa położenia, lecz matematyczny zapis tego, jakie wyniki możemy otrzymać, gdy wykonamy pomiar. Dopóki pomiaru nie ma, układ może być w superpozycji, czyli w pewnym sensie w wielu możliwych stanach jednocześnie.
Problem zaczyna się wtedy, gdy próbujemy przejść od równań do świata, który widzimy. Fizycy mówią o kolapsie funkcji falowej, chwili, w której wiele możliwości zamienia się w jeden wynik. W klasycznej interpretacji często wiąże się to z pomiarem. Cząstka była opisana falą prawdopodobieństwa, przyrząd ją zmierzył i otrzymaliśmy konkretną wartość.
Tyle że takie wyjaśnienie nie wszystkim wystarcza. Bo czym dokładnie jest pomiar? Czy potrzebny jest obserwator? Czy musi być on żywy? Czy wystarczy oddziaływanie z otoczeniem? Albert Einstein był tak tym poruszony, że przez pewien czas wszystkich gości w swoim domu witał słowami: "czy Księżyc istnieje dlatego, że patrzy na niego mysz?". A może kolaps funkcji falowej nie jest tylko wygodnym sposobem opisu, lecz realnym procesem fizycznym, który zachodzi sam z siebie?
Właśnie z tego pytania wyrastają tzw. modele spontanicznego kolapsu. To nie są jedynie filozoficzne interpretacje mechaniki kwantowej. Ich ambicją jest zaproponowanie zmodyfikowanej fizyki, która w zasadzie może dawać przewidywania różniące się od standardowej teorii. Innymi słowy, da się je testować.
Pomysł, który może połączyć kwanty z grawitacją
Zespół, w którym znaleźli się Nicola Bortolotti, Catalina Curceanu, Kristian Piscicchia, Lajos Diósi i Simone Manti, przyjrzał się dwóm ważnym rodzinom takich modeli. Pierwszą jest model Diósiego-Penrose’a, od dawna łączący kolaps funkcji falowej z grawitacją. Drugą jest Continuous Spontaneous Localization, czyli CSL, w której funkcja falowa również ulega spontanicznemu lokalizowaniu, ale opis matematyczny wygląda inaczej.
Te modele próbują wyjaśnić, dlaczego obiekty makroskopowe nie pozostają w dziwacznych kwantowych superpozycjach. Cząstka może zachowywać się kwantowo, ale im większy i cięższy układ, tym szybciej powinien pojawiać się jeden konkretny stan. Dzięki temu świat w dużej skali wygląda klasycznie.
Nowa praca idzie krok dalej. Badacze potraktowali poważnie możliwość, że mechanizm kolapsu jest związany z grawitacją. To ważne, bo grawitacja od lat pozostaje najbardziej opornym elementem układanki. Mechanika kwantowa świetnie opisuje mikroświat, a ogólna teoria względności znakomicie opisuje grawitację, czasoprzestrzeń i kosmos w dużej skali. Problem w tym, że obie teorie używają innego języka, szczególnie wtedy, gdy zaczynamy mówić o czasie.
W standardowej mechanice kwantowej czas jest parametrem zewnętrznym. Jest jak zegar na ścianie laboratorium, płynie w tle, a układ kwantowy ewoluuje względem niego. W ogólnej teorii względności czas nie jest już tak neutralny. Może zwalniać, rozciągać się i zależeć od pola grawitacyjnego. Masa i energia wpływają na geometrię czasoprzestrzeni.
Jeżeli więc kolaps kwantowy ma coś wspólnego z grawitacją, to naturalne staje się pytanie, co dzieje się z czasem?
Więcej na Spider's Web:
Zegary atomowe mogą spać spokojnie
Odpowiedź zespołu jest subtelna. Z obliczeń wynika, że modele kolapsu powiązane z grawitacją mogą wprowadzać niewielką, fundamentalną niepewność w przepływie czasu. Nie chodzi o błąd konstrukcyjny zegara, zakłócenie zewnętrzne ani problem techniczny, który dałoby się rozwiązać lepszą aparaturą. Chodzi o granicę wpisaną w sam opis fizyczny rzeczywistości.
To brzmi jak coś, co powinno wywrócić świat pomiarów do góry nogami, ale w praktyce efekt jest skrajnie mały. Autorzy podkreślają, że wynik nie oznacza żadnego zagrożenia dla współczesnych technologii odmierzania czasu. Nawet najdokładniejsze zegary atomowe nie odczuwają tej granicy w sposób, który miałby znaczenie praktyczne. Praca wskazuje, że przewidywana niepewność pozostaje zaniedbywalna dla obecnych urządzeń pomiarowych.
Nie oznacza to, że GPS zacznie się mylić, sieci telekomunikacyjne stracą synchronizację, a zegary atomowe trzeba będzie przepisać od zera.
Niepewność jest o wiele rzędów wielkości niższa od tego, co obecnie potrafimy zmierzyć, więc nie ma ona żadnych praktycznych konsekwencji dla codziennego pomiaru czasu – mówi Catalina Curceanu.
Badanie dotyczy ekstremalnie delikatnego efektu teoretycznego, który może mieć znaczenie przede wszystkim dla fundamentów fizyki. Analiza pokazuje, że jeśli te modele kolapsu dokładnie opisują rzeczywistość, to sam czas nie może być idealnie dokładny. Zamiast tego zawierałby niezwykle niski poziom niepewności. To ustanowiłoby fundamentalną granicę precyzji zegara.
Czas w fizyce nadal jest podejrzany
Czas wydaje się czymś oczywistym, dopóki nie zaczniemy pytać, czym właściwie jest. W życiu codziennym traktujemy go jak linię, po której poruszają się zdarzenia. W mechanice kwantowej często jest parametrem, względem którego opisujemy zmianę stanu układu. W teorii względności jest częścią dynamicznej czasoprzestrzeni.
To napięcie nie jest detalem. Jest jedną z przeszkód na drodze do teorii, która opisywałaby jednocześnie mikroświat i grawitację. Jeżeli czas w jednej teorii jest zewnętrznym tłem, a w drugiej elementem zależnym od masy, energii i geometrii, to prędzej czy później trzeba zapytać, który opis jest głębszy.
Nowe badanie nie daje gotowej odpowiedzi. Nie przedstawia teorii wszystkiego. Nie mówi też, że znaleziono bezpośredni dowód na kwantową naturę czasu. Pokazuje jednak, że pewne wersje mechaniki kwantowej, traktowane przez lata jako alternatywne i dość radykalne, prowadzą do konkretnych konsekwencji dla pomiaru czasu.
To wystarczy, by fizycy mieli powód do dalszej pracy.
W nauce podstawowej często największą wartość mają pytania, które na pierwszy rzut oka brzmią zbyt abstrakcyjnie. Czy funkcja falowa naprawdę się zapada? Czy grawitacja może odpowiadać za przejście od świata kwantowego do klasycznego? Czy czas jest idealnie gładkim parametrem, czy może ma w sobie fundamentalną niepewność?
Dla przeciętnego użytkownika smartfona, zegarka czy nawigacji satelitarnej odpowiedź nie zmienia dziś niczego. Ale dla fizyki to inna historia. Każdy sposób na eksperymentalne odróżnienie standardowej mechaniki kwantowej od jej alternatywnych modeli jest cenny. Szczególnie jeśli dotyka miejsca, w którym od dawna spotykają się trzy wielkie problemy: mechanika kwantowa, grawitacja i natura czasu.
