Может ли время дергаться? Физики проверили гипотезу гравитационного шума

Если пространство и время на микроскопическом уровне подвержены постоянным случайным колебаниям, то способны ли наши лучшие приборы — атомные часы — зафиксировать этот шум реальности?

Фото: ИИ by Александр Рощин is licensed under Pravda.Ru

Атомные часы

Новое исследование показывает, где проходит граница между теоретическими предсказаниями и инженерными возможностями человечества.

Когда точность времени упирается в законы природы

Измерение времени — самая точная область современной метрологии. Эволюция от механических маятников до кварцевых резонаторов, а затем к цезиевым эталонам и современным оптическим часам позволила достичь сверхточных результатов.

Лучшие современные установки, работающие на оптических решетках с ионами стронция или иттербия, обеспечивают относительную нестабильность частоты порядка 10^-18. Это труднопредставимая величина: она означает, что такие часы уйдут вперед или отстанут менее чем на одну секунду за время, превышающее текущий возраст Вселенной.

Однако физиков интересует не только техническое совершенствование приборов, но и фундаментальные ограничения самой природы. Существует ли предел, за которым понятие точного времени теряет физический смысл?

Группа исследователей из Италии, Румынии и Венгрии опубликовала в рецензируемом журнале Physical Review Research теоретическую работу, в которой объединила две, казалось бы, разные проблемы: загадку перехода квантовой системы в классическое состояние и влияние гравитации на ход времени.

Проблема квантовой неопределенности и реальности

Чтобы понять суть исследования, необходимо обратиться к одной из главных нерешенных проблем физики — проблеме измерения. Согласно стандартной формулировке квантовой механики, микроскопические объекты (например, электроны, фотоны или атомы) могут находиться в состоянии суперпозиции.

Это означает, что их физические характеристики — такие как положение в пространстве или энергия — не определены однозначно до момента измерения. Однако в макроскопическом мире мы никогда не наблюдаем объекты (стрелки приборов, камни, живые организмы) в таком состоянии. Мир вокруг нас всегда конкретен, стабилен и однозначен.

Стандартная теория не дает полного объяснения того, как именно происходит этот переход от квантовой множественности вероятностей к классической однозначности фактов. Для решения этого парадокса были разработаны так называемые модели спонтанного коллапса.

Гипотеза спонтанного коллапса постулирует, что волновая функция любой физической системы испытывает случайные, спонтанные изменения (редукции), которые заставляют ее принять определенное состояние.

Для одной элементарной частицы вероятность такого события ничтожно мала, поэтому микромир живет по квантовым законам интерференции и суперпозиции.

Но в макроскопическом объекте, состоящем из триллионов частиц, эти события происходят постоянно и практически мгновенно. Это эффективно подавляет квантовые эффекты и обеспечивает стабильность классического мира, который мы наблюдаем.

В исследовании рассматриваются две основные конкурирующие модели этого процесса:

Модель Диоши-Пенроуза (DP): предполагает, что спонтанный коллапс вызывается гравитационным взаимодействием. Гравитация, согласно этой теории, не допускает существования значительной массы в состоянии суперпозиции разных пространственных положений, поэтому она "схлопывает" состояние объекта.

Модель непрерывной спонтанной локализации (CSL): вводит в уравнения специальное универсальное шумовое поле, которое непрерывно воздействует на материю, заставляя ее локализоваться в пространстве.

Механизм возникновения временной погрешности

Авторы новой работы предложили строгую теоретическую интерпретацию: шумовое поле, постулируемое в моделях коллапса, следует рассматривать физически как флуктуации (случайные колебания) ньютоновского гравитационного потенциала.

Логическая цепочка физического процесса выстраивается следующим образом:

Во-первых, модели спонтанного коллапса требуют наличия стохастического поля, взаимодействующего с плотностью массы вещества. Поскольку распределение массы в пространстве неразрывно связано с гравитацией, любое изменение в распределении или локализации массы (вызванное коллапсом) неизбежно влияет на локальное гравитационное поле.

Во-вторых, согласно Общей теории относительности Эйнштейна, гравитационный потенциал напрямую определяет скорость течения времени в данной точке. В областях с сильным гравитационным полем время течет медленнее, чем в областях со слабым полем. Это подтвержденный экспериментальный факт, который учитывается, например, в алгоритмах работы навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС.

В-третьих, если принять гипотезу спонтанного коллапса, то гравитационный потенциал в любой точке пространства не является постоянной величиной. Он испытывает постоянные микроскопические случайные возмущения, вызванные процессом непрерывной "кристаллизации" квантовой реальности в классическую.

Следовательно, само время в такой вселенной не течет идеально равномерно. Оно приобретает фундаментальную нестабильность. Даже идеально сконструированные часы будут фиксировать эти колебания, так как они измеряют интервалы времени в пространстве, где метрика (структура пространства-времени) постоянно флуктуирует.

Расчет теоретического предела точности

Исследователи поставили перед собой задачу: аналитически рассчитать величину этой фундаментальной ошибки для часов конечного размера.

В физике моделей коллапса существует критически важный параметр, называемый корреляционной длиной (или длиной размытия, обозначается греческой буквой σ — сигма). Он определяет пространственный масштаб, на котором происходит локализация волновой функции.

Для модели CSL этот параметр составляет около 10^-7 метра (0,1 микрометра).

Для модели DP он оценивается в 10^-9 метра (1 нанометр).

Анализ показал сложную зависимость точности измерений от геометрического размера прибора. Если размер часов существенно превышает корреляционную длину, эффект локальных флуктуаций усредняется по всему объему устройства, и итоговая погрешность снижается.

Максимальная чувствительность к "шуму пространства-времени" наблюдается у гипотетических часов, размер которых сопоставим с длиной размытия. Именно для таких "оптимальных" (с точки зрения детектирования эффекта) часов ученые провели численные вычисления.

В итоговом уравнении учитывались параметры стохастического поля, масса частиц и релятивистские эффекты замедления времени. Результатом стала величина накопленной временной неопределенности (Δt) за определенный период наблюдений.

Результаты: пропасть между теорией и практикой

Полученные численные значения оказались исчезающе малыми, что стало важным, хотя и отрицательным результатом в контексте возможности экспериментальной проверки.

Согласно расчетам, за один год непрерывной работы фундаментальная ошибка времени составит:

• Для модели непрерывной спонтанной локализации (CSL): приблизительно 10^-28 секунд.
• Для модели Диоши-Пенроуза (DP): приблизительно 10^-31 секунд.

Чтобы оценить реальный масштаб этих цифр, необходимо сравнить их с возможностями самой совершенной современной техники. Как упоминалось выше, лучшие оптические часы сегодня имеют относительную нестабильность частоты на уровне 10^-18.

Это означает, что текущая погрешность измерений на 10-13 порядков (то есть в триллионы и десятки триллионов раз) больше, чем тот эффект, который предсказывают модели квантового коллапса.

Даже самые перспективные разработки будущего, такие как ядерные часы на переходе изомера тория-229 или использование массивов миллисекундных пульсаров для хронометрирования галактических масштабов, не позволят приблизиться к необходимой чувствительности.

"Шум", создаваемый квантовым коллапсом пространства-времени, настолько слаб, что он полностью теряется на фоне тепловых шумов, сейсмических вибраций и естественной квантовой неопределенности самих атомов, используемых в ловушках часов.

Значение исследования для науки

Работа приводит к двум важным выводам, определяющим стратегию дальнейших исследований в физике и метрологии.

1. Технологический оптимизм. Гипотетические процессы спонтанного коллапса волновой функции не накладывают никаких практических ограничений на точность измерения времени.

Инженеры и физики-экспериментаторы могут продолжать совершенствовать атомные часы, повышая их точность еще в миллиарды раз, прежде чем теоретически смогут столкнуться с фундаментальным барьером, обусловленным зернистой структурой пространства-времени. Предел точности, если он и существует, находится далеко за горизонтом прогнозируемых технологий.

2. Необходимость иных методов проверки. Исследование фактически закрывает вопрос об использовании прецизионных часов как инструмента для проверки или опровержения теорий квантового коллапса. Если модели DP или CSL верно описывают реальность, их подтверждение придется искать другими способами.

Часы оказываются "слепы" к этим эффектам. Экспериментаторам придется сосредоточиться на альтернативных предсказаниях этих теорий: например, на поиске чрезвычайно слабого спонтанного рентгеновского излучения, которое должно испускаться заряженными частицами при их спонтанной локализации, или на измерении аномального нагрева вещества при сверхнизких криогенных температурах.

Так что время, с точки зрения современной физической теории, остается чрезвычайно стабильной величиной. Гравитационные возмущения квантовой природы, даже если они существуют, слишком незначительны, чтобы нарушить ход наших хронометров.

Это подтверждает, что в доступных нам энергетических и пространственных масштабах пространство-время ведет себя как гладкий и непрерывный континуум, позволяя человечеству измерять реальность с высочайшей точностью.