Zespół badawczy pod kierunkiem Igora Pikovskiego ze Stevens Institute of Technology prowadzi fascynujące badania nad tym, w jaki sposób kwantowa natura obiektów wpływa na pomiar upływu czasu. Wykorzystują do tego ultrachłodne zegary jonowe, które należą do najdokładniejszych instrumentów pomiarowych współczesnej nauki.
Fluktuacje kwantowe a pomiar czasu
Dylatacja czasu to zjawisko dobrze znane z teorii względności Einsteina. Gdy obiekt porusza się z prędkością zbliżoną do światła lub znajduje się w silnym polu grawitacyjnym, czas dla niego płynie wolniej. Teraz naukowcy odkryli, że podobne efekty mogą występować w świecie kwantowym, choć z zupełnie innych powodów.
Zegary jonowe składają się z tysięcy jonów schłodzonych laserami do temperatur bliskich zera absolutnego. Ich działanie opiera się na elektronach przeskakujących między określonymi stanami kwantowymi. Problem w tym, że obiekty kwantowe nigdy nie są całkowicie nieruchome — podlegają fluktuacjom kwantowym, ciągle zyskując lub tracąc energię w sposób losowy.
Czytaj także: Światło zachowuje się dziwniej niż myśleliśmy. Naukowcy potwierdzili istnienie czasu urojonego
Modelowanie matematyczne przeprowadzone przez zespół Pikovskiego wykazało, że te właśnie fluktuacje mogą wpływać na pomiar czasu przez zegar. Choć efekt jest niezwykle subtelny, prawdopodobnie da się go zaobserwować w istniejących już eksperymentach.
Spontaniczne splątanie kwantowe
Najbardziej intrygującym aspektem tych badań jest to, co dzieje się, gdy jony zostają „ściśnięte” w celu wytworzenia superpozycji kilku stanów kwantowych. W takich warunkach taktowanie zegara staje się nierozerwalnie związane z ruchem samego jonu, co prowadzi do spontanicznego pojawienia się splątania kwantowego między stanami jonów i elektronów.
Christian Sanner zauważa, że zwykle w eksperymentach kwantowych naukowcy muszą stosować specjalne techniki, aby wytworzyć splątanie. Tymczasem w zegarach jonowych zjawisko to pojawia się samoistnie, bez żadnej interwencji ze strony badaczy.
Połączenie z grawitacją
Ultrachłodne zegary są już na tyle czułe, że potrafią wykrywać dylatację czasu spowodowaną minimalnymi zmianami ziemskiej grawitacji – wystarczy podnieść je zaledwie o kilka milimetrów. Kolejnym etapem badań będzie zrozumienie, w jaki sposób ten efekt grawitacyjny łączy się z kwantową naturą samego zegara.
Gabriel Sorci ze Stevens Institute of Technology podkreśla, że sposób, w jaki grawitacyjna dylatacja czasu miesza się z kwantowymi efektami w zegarach, jak na razie jest nieznany. Zrozumienie go może ujawnić zupełnie nowe zjawiska fizyczne, których istnienia obecnie nawet nie podejrzewamy.
Wyzwania techniczne
David Hume uważa, że eksperymenty te można przeprowadzić przy użyciu dostępnej obecnie technologii. Największym wyzwaniem pozostaje ochrona niezwykle delikatnych pomiarów przed zakłóceniami z otoczenia, które mogłyby całkowicie ukryć przed nami subtelne efekty kwantowe.
Jeśli badania zakończą się sukcesem, pozwolą naukowcom badać zjawiska fizyczne, które do tej pory pozostawały poza zasięgiem eksperymentów. Alexander Smith zwraca uwagę, że tego typu eksperymenty są szczególnie ekscytujące, ponieważ zmuszają mechanikę kwantową i teorię względności do konfrontacji w obszarze, gdzie możliwe są prawdziwe naukowe przełomy.
Perspektywy i ograniczenia
Warto tutaj podkreślić, że badania znajdują się na wczesnym etapie, a efekty, które naukowcy próbują zmierzyć, są nieprawdopodobnie subtelne. Nawet najdrobniejsze zakłócenia — drgania, fluktuacje temperatury czy pola elektromagnetyczne — mogą uniemożliwić uzyskanie wiarygodnych wyników.
Z drugiej strony, sama możliwość eksperymentalnego zbadania, jak kwantowa natura rzeczywistości wpływa na sam upływ czasu, jest niezwykle kusząca. Po raz pierwszy w historii naukowcy mają szansę bezpośrednio przyjrzeć się temu, co dzieje się na styku dwóch fundamentalnych teorii fizyki.
Te badania mogą doprowadzić do przełomowych odkryć, ale równie dobrze mogą ujawnić kolejne warstwy złożoności naszego Wszechświata. Niezależnie od wyniku, każdy krok naprzód w tej dziedzinie poszerza nasze rozumienie podstawowych zasad rządzących rzeczywistością.