Revoliucija fizikoje: mokslininkai siūlo būdą išmatuoti „kvantinį laiką“ ir perrašyti Niutono bei Einšteino dėsnius

Nors gyvenime yra daugybė kintamųjų, yra vienas matas, kuriuo mūsų egzistencija skaičiuojama be išlygų – laikas.

Dažniausiai jį įsivaizduojame kaip standų, tolygų ir vienakryptį: laiko „strėlė“ skrenda tiesiai, o mums belieka judėti ten, kur ji veda. Tačiau kas, jei laikas yra gerokai „lankstesnis“, nei leidžia manyti kasdienė patirtis? Kas, jei jis turi paslėptą kvantinę prigimtį?

Naujame moksliniame darbe fizikų komanda parodė, kaip optiniai laikrodžiai – itin tikslus atominių laikrodžių tipas, kuriame naudojami optinių dažnių šviesos virpesiai, o ne mikrobangų signalai – galėtų padėti pademonstruoti kvantinę laiko prigimtį. Tai, mokslininkų teigimu, gali priartinti prie atsakymo, kas iš tiesų yra laikas.

„Pasirodo, laikas turi gilesnių aspektų, kurių niekas dar nėra patyręs ir kurių niekas nėra išmatavęs“, – teigė JAV „Stevens Institute of Technology“ fizikas Igoris Pikovski.

„Pagal kvantinę teoriją gali būti situacijų, kai laikas nesikeičia pastoviu tempu. Vietoje to egzistuoja „daugybė laikų superpozicijoje“, tai yra jis gali tekėti skirtingais greičiais tuo pačiu metu.

Praktiškai tai reikštų, kad vienas laikrodis galėtų rodyti kelis skirtingus laikus, o ne vieną, kaip esame įpratę. Tai dar niekada nebuvo stebėta, tačiau mes parodome, kad šiuolaikiniai joniniai laikrodžiai jau galėtų tai aptikti“, – aiškino mokslininkas.

Šimtmečius laikas buvo laikomas absoliučiu – taip jį apibrėžė Izaokas Niutonas. Jo požiūriu, tai buvo universali konstanta: objektyvios realybės dalis, kurios neveikia išoriniai veiksniai.

Vėliau atsirado Albertas Einšteinas, o reliatyvumo teorija pakeitė Niutono laikrodžio „mechanizmą“: ji parodė, kad laikas yra reliatyvus ir gali tekėti greičiau arba lėčiau, priklausomai nuo judėjimo ir gravitacijos.

„Nėra universalaus laiko – yra tik tai, ką vadiname „tikruoju laiku“: kiekvienas stebėtojas fiksuoja savo laiką, ir jis gali skirtis“, – aiškino I. Pikovski.

„Būtent tai ir nagrinėjame: laiko tėkmė kinta priklausomai nuo greičio ir padėties. Tipinis pavyzdys – dvynių paradoksas, kai vienas dvynys išskrenda raketa į kelionę pirmyn–atgal, o grįžęs būna jaunesnis už kitą, kuris liko Žemėje“, – pridūrė jis.

Laiko dilatacija yra reliatyvistinis efektas, todėl jis gerai suprantamas. Tačiau kol kas eksperimentais beveik netirta, kaip laikas galėtų elgtis kvantiniame režime – masteliuose, kuriuose vien reliatyvumo nepakanka Visatai aprašyti, ir tenka remtis kvantine teorija.

Paradoksalu, bet net kvantinėje teorijoje laikas dažnai traktuojamas kaip klasikinis fonas, „tiksintis“ tiesia linija.

„Vienas svarbiausių šiuolaikinės fizikos iššūkių – sukurti kvantinę gravitacijos teoriją“, – sakė I. Pikovski.

„Tokioje teorijoje tikimės, kad daugelis šiandien iš esmės klasikinių sąvokų, tokių kaip laikas ir gravitacija, bus aprašomos kaip fundamentaliai kvantinės. Vadinasi, dabartinis laiko aprašymas negali būti galutinis – kvantinei teorijai įsijungus į vaizdą, kažko trūksta“, – pabrėžė jis.

Savo darbe I. Pikovski ir kolegos siūlo, kaip ultra tikslūs optiniai laikrodžiai, kurių „tiksėjimą“ lemia lazeriais sužadintų atomų virpesiai, galėtų padėti ištirti kvantinius laiko reiškinius.

Tarp jų – laikinė superpozicija, kai vienu metu gali egzistuoti persidengiantys laikai, ir susietumas (angl. entanglement), kai laikas bei judėjimas gali tapti susiję taip, kad vienas veiktų kito elgesį.

„Susietumas ir superpozicija yra kvantinio elgesio požymiai“, – teigė I. Pikovski. „Mūsų darbas rodo, kad net pats laikas gali turėti tokių kvantinių požymių – o tai nėra įprasta prielaida kvantinėje fizikoje.“

Praktiškai tai galėtų reikšti, kad vienas laikrodis vienu metu registruotų daugiau nei vieną laiką, atskirtą neįsivaizduojamai mažomis dalimis – dešimčių atosekundžių intervalais, kuriuos pajėgtų išmatuoti tik optinis atominis laikrodis.

Atominiai laikrodžiai jau dabar yra pakankamai tikslūs, kad užfiksuotų menkiausius reliatyvumo efektus, tokius kaip laiko dilatacija. Pavyzdžiui, pakanka vieną laikrodį pakelti vos keliais centimetrais aukščiau kito, ir dėl nežymaus gravitacijos skirtumo tarp šių aukščių atsirandantis dilatacijos efektas jau tampa aptinkamas.

Pasak I. Pikovskio ir jo kolegų, optinių laikrodžių tikslumo gali pakakti ir kvantiniams efektams stebėti.

Komanda siūlo pasitelkti kvantinę techniką, vadinamą suspaudimu (angl. squeezing), kuri leidžia sustiprinti mažyčius sistemos svyravimus. Šiuo atveju ji galėtų sustiprinti laikrodžio viduje esančių atomų kvantinį elgesį ir padaryti keistus laiko efektus labiau pastebimus.

Kai kurie iš šių efektų, mokslininkų teigimu, gali būti aptinkami jau su dabartinėmis technologijomis, nors kiti kol kas yra pernelyg silpni ir trapūs. Vis dėlto tie, kurie yra pasiekiami, verti tyrimų.

Siūlomi metodai galėtų suteikti pirmuosius eksperimentinius įrodymus, kad laikas pats gali elgtis kvantiškai. Tai fizikams atvertų naują kelią tirti ribą tarp reliatyvumo ir kvantinio pasaulio bei suteiktų naujų įžvalgų apie pačią laiko prigimtį.

„Manau, tai gali duoti užuominų ir eksperimentinių duomenų apie tai, kaip mūsų kasdienės realybės sampratos gali klaidinti. Kvantinė teorija nėra tik keista – ji taip pat numato visai kitokią fundamentalią Visatos sandarą, kuri prasilenkia su kasdiene patirtimi“, – sakė I. Pikovski.

„Einšteinas garsiai klausė: ar Mėnulis yra ten, kai niekas nežiūri? Šiuo klausimu jis norėjo išryškinti keistas kvantinės mechanikos prognozes.

Jei pats laikas perimtų šias kvantines savybes, tai yra jei laikas galėtų būti superpozicijoje, kai niekas nežiūri, man tai būtų nepaprastai įdomus žvilgsnis į keistą vidinę gamtos sandarą ir užuomina apie naujas fundamentaliosios fizikos ribas“, – pridūrė mokslininkas.

Tyrimas publikuotas žurnale „Physical Review Letters“.