Brytyjscy naukowcy postanowili rzucić wyzwanie tradycyjnemu myśleniu o mierzeniu czasu. Ich badania sugerują, że nawet najbardziej chaotyczne zjawiska mogą stać się podstawą dla niezwykle precyzyjnych pomiarów.
Przełomowe odkrycie. Jak losowe zdarzenia stają się zegarem
Zespół z King’s College London opracował zestaw równań matematycznych zdolnych przekształcić dowolną sekwencję przypadkowych zdarzeń w funkcjonalny czasomierz. To oznacza, że fale oceanu, bicie serca czy nawet fluktuacje giełdowe mogą teoretycznie posłużyć do precyzyjnego określania upływu czasu.
Dr Mark Mitchison z londyńskiej uczelni wyjaśnia praktyczny wymiar tego odkrycia. Naukowcy znaleźli sposób na stworzenie zegara poprzez zliczanie losowych zdarzeń występujących w otoczeniu, co radykalnie różni się od konwencjonalnych metod wymagających regularnych interwałów.
Procesy Markowa jako fundament czasomierza
Badanie koncentruje się na procesach Markowa – matematycznych modelach, w których następny stan systemu zależy wyłącznie od stanu bieżącego. W praktyce oznacza to, że na każde nowe zdarzenie wpływa tylko to bezpośrednio je poprzedzające.
Czytaj także: Światło zachowuje się dziwniej niż myśleliśmy. Naukowcy potwierdzili istnienie czasu urojonego
Tę właściwość „bezpamięciowości” można spotkać w całej naturze, od fluktuujących cen akcji po rytm bicia serca. To właśnie sprawia, że procesy Markowa mogą służyć jako podstawa do budowy zegarów opartych na zliczaniu skoków między stanami.
Nowe granice precyzji klasycznej
Nowe równania ustanawiają ścisłą granicę dokładności zegarów opartych na fizyce klasycznej. Naukowcy wprowadzili Relację Niepewności Zegara (CUR), która określa maksymalną precyzję osiągalną przez klasyczne systemy pomiarowe.
Formuła pokazuje, że stosunek sygnału do szumu jest ograniczony przez podwojony średni czas rezydualny. Im szybciej i częściej system wykonuje skoki, tym lepiej może służyć jako zegar.
Wykrywanie efektów kwantowych przez naruszenie granic
Najciekawszym aspektem odkrycia jest możliwość wykrywania zjawisk kwantowych. Gdy system mierzy czas dokładniej, niż przewidują nowe równania, wskazuje to na działanie mechanizmów wykraczających poza fizykę klasyczną.
To wyjaśnia, dlaczego technologie kwantowe jak zegary atomowe osiągają większą precyzję niż jakikolwiek klasyczny zegar. Urządzenia wykorzystujące fizykę kwantową nie są ograniczone granicą CUR, co pozwala im na niezwykłą dokładność.
Zastosowania biologiczne
Odkrycie ma szczególne znaczenie dla zrozumienia systemów biologicznych. Białko motoryczne kinezyna stanowi doskonały przykład naturalnego zegara molekularnego. Ta maleńka maszyna przekształca chaotyczną energię cieplną w regularny, zegarowy ruch potrzebny do transportu innych białek w komórce.
Kinezyna porusza się po mikrotubulach przecinających komórkę, używając dwóch „stóp” do wykonywania ukierunkowanych kroków. Proces ten przypomina tykanie zegara – regularne, powtarzalne ruchy powstające z pozornie losowej energii termicznej.
Awarie tych molekularnych maszyn mogą prowadzić do poważnych konsekwencji zdrowotnych. Wadliwie działająca kinezyna została powiązana z chorobą neuronu ruchowego, co pokazuje kluczowe znaczenie precyzyjnego „tykania” na poziomie komórkowym.
Od chaosu do porządku w systemach żywych
Badanie procesów mierzenia czasu w biologii może pomóc w zrozumieniu białek z rytmicznymi ruchami oraz receptorów chemicznych wykrywających toksyny. Naukowcy dostrzegają w tym uniwersalny mechanizm – naturalne procesy spontanicznie generują porządek z chaosu na różnych skalach.
Czytaj także: Czas przepisać podręczniki do fizyki? Sensacyjny wynik eksperymentu
Zjawisko to obserwujemy od poziomu organizmów biologicznych i całych ekosystemów aż po świat mikroskopowy. Traktowanie maszyn molekularnych jako zegarów daje nowy wgląd w fundamentalne procesy życiowe.
Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Physical Review X, otwierają nowe perspektywy na rozumienie czasu jako zjawiska fizycznego. Odkrycie nie tylko redefiniuje pojęcie zegara, ale także dostarcza narzędzi do badania fundamentalnej natury wszechświata i wykrywania ukrytych efektów kwantowych w klasycznych systemach.