Ультрахолодные часы могут пролить свет на то, как квантовая физика изменяет время

Лучшие в мире часы могут быть чувствительны к странному сочетанию квантовых и релятивистских эффектов, которые могут растянуть время и проверить границы физики.

Как выглядит течение времени для истинно квантового объекта? Лучшие в мире часы вскоре смогут ответить на этот вопрос, проверив, как время может растягиваться и смещаться в квантовом мире, и позволив нам исследовать неизведанные области физики.

Идея о том, что течение времени может изменяться или замедляться, берет свое начало в специальной теории относительности Альберта Эйнштейна. Эйнштейн показал, что по мере приближения скорости объекта к скорости света время для него течет медленнее, чем для неподвижного наблюдателя. Он развил эту идею в своей общей теории относительности, показав, что гравитационное поле оказывает такое же искривление времени. Игорь Пиковский из Технологического института Стивенса в Нью-Джерси и его коллеги хотели понять, может ли нечто подобное происходить со временем в микроскопическом квантовом мире, измеряемом ультрахолодными часами, сделанными из ионов.

«Любой эксперимент, который мы проводили на сегодняшний день, всегда регистрирует нечто вроде классического времени, времени, не имеющего никакого отношения к квантовой механике», — говорит Пиковски. «Мы поняли, что существует режим, в котором с ионными часами это описание просто не работает», — говорит он.

Такие часы состоят из тысяч ионов, охлаждаемых до температур, близких к абсолютному нулю, под воздействием лазеров. При таких экстремальных температурах квантовые состояния ионов и электронов в них можно очень точно контролировать с помощью электромагнитных сил. Соответственно, ход ионных часов задаётся этими электронами, которые многократно колеблются между двумя определёнными квантовыми состояниями.

Поскольку их работа основана на законах квантовой механики, эти часы стали идеальной площадкой для Пиковски и его коллег, чтобы исследовать, как релятивистские и квантовые эффекты могут взаимодействовать, влияя на ход часов. По словам Пиковски, исследователи уже выявили несколько случаев, когда это должно происходить.

Один из примеров связан с тем, что квантовая физика не терпит небытия. Вместо того, чтобы быть абсолютно неподвижными и замороженными, даже при экстремально низких температурах квантовые объекты должны колебаться, случайным образом приобретая или теряя энергию. Расчёты группы показали, что эти колебания могут замедлить ход времени. Эффект будет очень незначительным, но, скорее всего, его можно будет наблюдать в существующих экспериментах с ионными часами.

Исследователи также математически смоделировали, что произойдёт, если ионы часов «сжать», чтобы создать «суперпозицию» нескольких квантовых состояний. Они обнаружили, что ход часов, определяемый электронами в ионах, станет неразрывно связан с движением самого иона – состояния ионов и электронов станут квантово-запутанными. «Обычно в экспериментах приходится прибегать к уловкам, чтобы создать запутанность. Самое интересное, что она возникает независимо от того, хотите вы этого или нет», – говорит Кристиан Саннер, член команды из Университета штата Колорадо.

Пиковски утверждает, что интуитивно понятно, что квантовый объект в суперпозиции состояний не может испытывать только одно чувство времени, но этот эффект никогда не наблюдался экспериментально. По его словам, это должно стать возможным в ближайшем будущем.

Член команды Габриэль Сорчи из Технологического института Стивенса говорит, что следующим шагом станет добавление ещё одного важнейшего компонента современной физики — гравитации. Ультрахолодные часы уже способны регистрировать замедление времени, вызванное мельчайшими изменениями силы гравитационного притяжения Земли, например, при поднятии их всего на несколько миллиметров, но как именно этот эффект будет сочетаться с присущей часам квантовостью, остаётся открытым вопросом.

«Я думаю, что это вполне разумно с учётом имеющихся у нас технологий», — говорит Дэвид Хьюм из Национального института стандартов и технологий США в Колорадо. По его словам, самой сложной задачей будет не допустить, чтобы мельчайшие возмущения, возникающие в среде часов, перекрывали эффекты, на которые намекает команда Пиковски. В случае успеха такие эксперименты позволят исследователям исследовать физические явления, которые они не могли исследовать ранее, несмотря на то, что квантовая теория и специальная теория относительности — два столпа, на которых долгое время зиждется большая часть современной физики, говорит он.

«Подобные эксперименты очень интересны, потому что они заставляют эти теории сталкиваться друг с другом в области, где есть шанс узнать что-то новое», — говорит Александр Смит из колледжа Святого Ансельма в Нью-Гэмпшире.

arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2509.09573

Источник: www.newscientist.com