Στη θεωρία της σχετικότητας του Einstein, ο χρόνος δεν είναι σταθερός. Μεταβάλλεται ανάλογα με την κίνηση και τη βαρύτητα.
Όταν αυτή η έννοια συνδυάζεται με την κβαντική φυσική, η εικόνα γίνεται ακόμη πιο παράξενη. Η κβαντική θεωρία υποδηλώνει ότι ο ίδιος ο χρόνος μπορεί να υπάρχει σε κατάσταση υπέρθεσης, δηλαδή να κυλά με διαφορετικούς ρυθμούς ταυτόχρονα.
Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters δείχνει ότι αυτή η πιθανότητα ίσως μπορέσει σύντομα να ελεγχθεί πειραματικά.
Πειράματα με κβαντικά ρολόγια
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε υπό την καθοδήγηση του Igor Pikovski, επίκουρου καθηγητή θεωρητικής φυσικής στο Stevens Institute of Technology, σε συνεργασία με πειραματικές ομάδες των Christian Sanner στο Colorado State University και Dietrich Leibfried στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των Ηνωμένων Πολιτειών (NIST).
Η ομάδα μελέτησε πώς τα κβαντικά φαινόμενα επηρεάζουν τη ροή του χρόνου και πώς τα ατομικά ρολόγια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διερεύνηση αυτών των επιδράσεων.
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν για προηγμένα ρολόγια και κβαντικούς υπολογιστές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για βαθύτερα ερωτήματα σχετικά με την ίδια την πραγματικότητα.
Αν ένα ρολόι ακολουθεί τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, τότε η κίνησή του μπορεί να υπάρχει ταυτόχρονα σε πολλαπλές καταστάσεις. Κατά συνέπεια, και ο χρόνος που μετρά θα μπορούσε επίσης να υπάρχει σε πολλαπλές καταστάσεις.
Η ιδέα θυμίζει το διάσημο νοητικό πείραμα της γάτας του Schrödinger, όπου η γάτα μπορεί να είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Σε αυτή την περίπτωση, ο χρόνος θα υπήρχε σε επικαλυπτόμενες καταστάσεις, σαν ένα ρολόι να είναι συγχρόνως νεότερο και γηραιότερο.
«Ο χρόνος παίζει πολύ διαφορετικούς ρόλους στην κβαντική θεωρία και στη σχετικότητα», δήλωσε ο Pikovski. «Αυτό που δείχνουμε είναι ότι η σύνδεση αυτών των δύο εννοιών μπορεί να αποκαλύψει κρυφές κβαντικές “υπογραφές” της ροής του χρόνου που δεν μπορούν πλέον να περιγραφούν από την κλασική φυσική».
Η σχετικότητα και η διαφορετική ροή του χρόνου
Η θεωρία της σχετικότητας προβλέπει ότι κάθε ρολόι μετρά τον χρόνο διαφορετικά ανάλογα με την ταχύτητα και τη θέση του.
Για παράδειγμα, ένα ρολόι που κινείται με ταχύτητα 10 μέτρων ανά δευτερόλεπτο για 57 εκατομμύρια χρόνια θα καθυστερούσε μόλις κατά ένα δευτερόλεπτο σε σχέση με ένα ακίνητο ρολόι.
Πειράματα με υπερακριβή ρολόγια, όπως τα ρολόγια ιόντων αλουμινίου στο NIST, έχουν ήδη επιβεβαιώσει αυτό το φαινόμενο.
Το φαινόμενο αυτό συχνά εξηγείται μέσω του «παραδόξου των διδύμων», όπου ένας δίδυμος γερνά πιο αργά ύστερα από ταξίδι με πολύ υψηλή ταχύτητα.
Μια ακόμη πιο ακραία εκδοχή, γνωστή ως «κβαντικό παράδοξο των διδύμων», θέτει το ερώτημα αν ένα και μόνο ρολόι θα μπορούσε να βιώνει πολλαπλές χρονικές γραμμές ταυτόχρονα.
Τα ατομικά ρολόγια εισέρχονται στην κβαντική εποχή
Για να διερευνήσουν αυτή την ιδέα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ατομικά ρολόγια όπως εκείνα του NIST και του Colorado State University.
Τα συστήματα αυτά παγιδεύουν μεμονωμένα ιόντα, όπως αλουμινίου ή υττερβίου, τα ψύχουν σχεδόν στο απόλυτο μηδέν και ελέγχουν τις κβαντικές τους καταστάσεις με λέιζερ.
Η μελέτη δείχνει ότι ο συνδυασμός της ακραίας ακρίβειας των ρολογιών με τεχνικές κβαντικών υπολογιστών θα μπορούσε να αποκαλύψει άγνωστα μέχρι σήμερα κβαντικά φαινόμενα του χρόνου.
«Τα ατομικά ρολόγια είναι πλέον τόσο ευαίσθητα ώστε μπορούν να ανιχνεύσουν απειροελάχιστες διαφορές χρόνου που προκαλούνται ακόμη και από θερμικές δονήσεις σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες», δήλωσε ο Gabriel Sorci από το Stevens Institute of Technology.
«Αλλά ακόμη και στο απόλυτο μηδέν, ο ρυθμός του ρολογιού επηρεάζεται από τις ίδιες τις κβαντικές διακυμάνσεις».
Η «συμπίεση» του κβαντικού κενού
Η ομάδα εξερεύνησε και μια ακόμη πιο προχωρημένη προσέγγιση: αντί απλώς να ψύχουν τα άτομα, προτείνουν τη χειραγώγηση του κβαντικού κενού ώστε να δημιουργηθούν οι λεγόμενες «συμπιεσμένες καταστάσεις».
Σε αυτές τις καταστάσεις, η θέση και η κίνηση του ρολογιού παρουσιάζουν έντονα κβαντικά χαρακτηριστικά.
Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει σε ένα ρολόι να μετρά τον εαυτό του να «τρέχει» με διαφορετικούς ρυθμούς ταυτόχρονα, ενώ θα συνδέεται κβαντικά με τη δική του κίνηση.
«Διαθέτουμε ήδη την τεχνολογία για να δημιουργήσουμε την απαιτούμενη “συμπίεση” και έναν ρεαλιστικό δρόμο ώστε να φτάσουμε στην ακρίβεια που χρειάζεται για να παρατηρηθούν αυτά τα φαινόμενα για πρώτη φορά», δήλωσε ο Christian Sanner.
Ο Pikovski σημείωσε ότι οι συνέπειες αυτών των ερευνών μπορεί να είναι τεράστιες, υπενθυμίζοντας ότι πρόσφατες μελέτες του υποστηρίζουν ακόμη και τη δυνατότητα ανίχνευσης μεμονωμένων βαρυτονίων μέσω κβαντικής τεχνολογίας.
«Η φυσική εξακολουθεί να είναι γεμάτη μυστήρια στο πιο θεμελιώδες επίπεδο. Οι κβαντικές τεχνολογίες μάς δίνουν πλέον νέα εργαλεία για να ρίξουμε φως σε αυτά», κατέληξε.