Немногие идеи в физике так хорошо известны и одновременно таинственны, как время.
Теория относительности Эйнштейна продемонстрировала, что время не является неизменным или универсальным — оно изменяется в зависимости от скорости и силы гравитации. Однако когда ученые сочетают относительность с квантовой механикой, ситуация становится еще более необычной. Квантовая теория предполагает, что само время может находиться в суперпозиции, то есть течь как быстрее, так и медленнее одновременно.
Недавнее исследование выявило, что вскоре ученые смогут проверить эту необычную идею в лабораторных условиях. Исследование возглавил ассистент-профессор Технологического института Стивенса Игорь Пиковски вместе с экспериментальными командами Кристиана Саннера из Университета штата Колорадо и Дитриха Лейбфрида из Национального института стандартов и технологий США (NIST).
Физики исследовали, как современные атомные часы могут обнаруживать скрытые квантовые эффекты, связанные с течением времени. Согласно их выводам, те же технологии, которые разрабатываются для часов и квантовых компьютеров нового поколения, могут дать возможность ученым оценить, подчиняется ли само время квантовым законам.
Один из основополагающих принципов квантовой механики утверждает, что объекты способны находиться в нескольких состояниях одновременно. Эта идея проиллюстрирована известным мысленным экспериментом с котом Шредингера, который считается одновременно живым и мертвым до момента наблюдения. Ученые предполагают, что нечто подобное может происходить и со временем: часы, работа которых подчиняется квантовым законам, могут относиться к нескольким потокам времени одновременно.
«Время играет разные роли в квантовой теории и в теории относительности, — объясняет Пиковски. — Мы демонстрируем, что объединение этих двух концепций может выявить скрытые квантовые сигнатуры течения времени, которые невозможно описать с помощью классической физики».
Команда сосредоточилась на ионных часах, аналогичных тем, которые разрабатываются в NIST и Университете штата Колорадо. Эти устройства захватывают отдельные ионы, такие как алюминий или иттербий, охлаждают их до температур, близких к абсолютному нулю, и контролируют их квантовые состояния с помощью лазеров.
«Атомные часы теперь настолько чувствительны, что могут фиксировать малейшие различия во времени, вызванные только тепловыми колебаниями при незначительных изменениях температуры, — говорит соавтор статьи, аспирант Габриэль Сорси. — При температуре абсолютного нуля на работу часов будут влиять исключительно квантовые флуктуации».
