Μια μελέτη που συγχρηματοδοτήθηκε από το FQxI υποδηλώνει κρυφές συνδέσεις μεταξύ της κβαντομηχανικής, της βαρύτητας και του χρόνου.
Η απάντηση μπορεί να είναι ο χρόνος
Οι επιστήμονες έριξαν μια νέα ματιά σε ένα από τα πιο παράξενα προβλήματα της κβαντικής φυσικής και διαπίστωσαν ότι η απάντηση μπορεί να φτάσει μέχρι τον ίδιο τον χρόνο.
Στην κβαντομηχανική, τα σωματίδια δεν συμπεριφέρονται σαν καθημερινά αντικείμενα. Αντί να υπάρχουν σε μία σαφώς καθορισμένη κατάσταση, μπορούν να καταλαμβάνουν πολλές πιθανές καταστάσεις ταυτόχρονα, ένα φαινόμενο γνωστό ως υπέρθεση. Οι φυσικοί περιγράφουν αυτή την θολή κβαντική συμπεριφορά με ένα μαθηματικό αντικείμενο που ονομάζεται «κυματοσυνάρτηση».
Αλλά στον συνηθισμένο κόσμο, τα πράγματα δεν φαίνεται να λειτουργούν έτσι. Μια καρέκλα βρίσκεται σε ένα σημείο, όχι σε δύο. Ένα ρολόι δείχνει μία ώρα, όχι πολλές. Η γεφύρωση αυτού του χάσματος μεταξύ του κβαντικού κόσμου και της καθημερινής εμπειρίας αποτελεί πρόκληση για τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες. Για να συμφιλιώσουν αυτή τη διαφορά, οι φυσικοί συνήθως υποστηρίζουν ότι όταν ένα κβαντικό σύστημα αλληλεπιδρά με μια συσκευή μέτρησης ή παρατηρητή, η κυματοσυνάρτησή του «καταρρέει» σε ένα μόνο, ορισμένο αποτέλεσμα.
Με την υποστήριξη του Ινστιτούτου Θεμελιωδών Ερωτήσεων, FQxI, μια διεθνής ομάδα φυσικών διερεύνησε τώρα ένα σύνολο μη συμβατικών προσεγγίσεων σε αυτό το πρόβλημα μέτρησης, γνωστών ως «μοντέλα κβαντικής κατάρρευσης», αποκαλύπτοντας ότι θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές συνέπειες για τον τρόπο που συμπεριφέρεται ο χρόνος και την ακρίβεια με την οποία μπορεί να μετρηθεί. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Research, προτείνουν επίσης μια νέα στρατηγική για την πειραματική διάκριση αυτών των μοντέλων από την τυπική κβαντική θεωρία.
«Αυτό που κάναμε ήταν να λάβουμε σοβαρά υπόψη την ιδέα ότι τα μοντέλα κατάρρευσης μπορεί να συνδέονται με τη βαρύτητα», λέει ο Nicola Bortolotti, διδακτορικός φοιτητής στο Μουσείο και Κέντρο Έρευνας Enrico Fermi (CREF) στη Ρώμη της Ιταλίας, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. «Και στη συνέχεια θέσαμε ένα πολύ συγκεκριμένο ερώτημα: Τι σημαίνει αυτό για τον ίδιο τον χρόνο;»
Αυθόρμητη Κατάρρευση
Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1980, οι ερευνητές άρχισαν να αναπτύσσουν κβαντικά μοντέλα στα οποία η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης συμβαίνει αυθόρμητα, ανεξάρτητα από την παρατήρηση ή τη μέτρηση. Σε αντίθεση με τις τυπικές «ερμηνείες» της κβαντομηχανικής, οι οποίες τείνουν να είναι φιλοσοφικά πλαίσια που δεν μπορούν να διακριθούν πειραματικά, αυτά τα μοντέλα κατάρρευσης παράγουν συγκεκριμένες προβλέψεις που μπορούν, κατ' αρχήν, να δοκιμαστούν στο εργαστήριο.
«Αυτό που κάναμε ήταν να λάβουμε σοβαρά υπόψη την ιδέα ότι τα μοντέλα κατάρρευσης μπορεί να συνδέονται με τη βαρύτητα. Και στη συνέχεια θέσαμε ένα πολύ συγκεκριμένο ερώτημα: Τι σημαίνει αυτό για τον ίδιο τον χρόνο;» λέει ο Nicola Bortolotti.
Η μελέτη δείχνει ότι εάν αυτά τα μοντέλα κατάρρευσης περιγράφουν με ακρίβεια τη φύση, τότε ο ίδιος ο χρόνος θα φέρει μια ελάχιστη εγγενή αβεβαιότητα. Αυτό θα εισήγαγε ένα θεμελιώδες όριο στο πόσο ακριβώς μπορεί να μετρηθεί ο χρόνος, αν και το αποτέλεσμα είναι εξαιρετικά μικρό. «Μόλις κάνετε τον υπολογισμό, η απάντηση είναι σαφής και εκπληκτικά καθησυχαστική», δήλωσε ο Bortolotti.
Είναι σημαντικό ότι αυτή η προβλεπόμενη αβεβαιότητα δεν έχει καμία επίδραση στην πρακτική χρονομέτρηση. Ακόμα και τα πιο προηγμένα ατομικά ρολόγια, τώρα ή στο άμεσο μέλλον, θα παρέμεναν ανεπηρέαστα. «Η αβεβαιότητα είναι πολλές τάξεις μεγέθους κάτω από οτιδήποτε μπορούμε να μετρήσουμε σήμερα, επομένως δεν έχει πρακτικές συνέπειες για την καθημερινή χρονομέτρηση», λέει ο Curceanu. «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ρητά ότι οι σύγχρονες τεχνολογίες χρονομέτρησης είναι εντελώς ανεπηρέαστες», προσθέτει ο Piscicchia.
Σύνδεση της κβαντικής θεωρίας και της βαρύτητας
Για δεκαετίες, οι φυσικοί αναζητούν ένα ενοποιημένο πλαίσιο που μπορεί να συμφιλιώσει την κβαντομηχανική με τη βαρύτητα. Κάθε θεωρία είναι αξιοσημείωτα επιτυχημένη στον δικό της τομέα. Η κβαντομηχανική διέπει τη συμπεριφορά των σωματιδίων στις μικρότερες κλίμακες, ενώ η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν περιγράφει τη βαρύτητα και τη δομή μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος. Ωστόσο, τα δύο πλαίσια αντιμετωπίζουν τον χρόνο με θεμελιωδώς διαφορετικούς τρόπους. «Στην τυπική κβαντομηχανική, ο χρόνος αντιμετωπίζεται ως μια εξωτερική, κλασική παράμετρος που δεν επηρεάζεται από το κβαντικό σύστημα που μελετάται», εξηγεί ο Curceanu. Αντίθετα, στη γενική σχετικότητα, ο χρόνος και ο χώρος είναι δυναμικοί και μπορούν να κάμπτονται και να αλλάζουν ανάλογα με τη μάζα και την ενέργεια.
«Η αβεβαιότητα είναι πολλές τάξεις μεγέθους κάτω από οτιδήποτε μπορούμε να μετρήσουμε σήμερα, επομένως δεν έχει πρακτικές συνέπειες για την καθημερινή χρονομέτρηση», λέει η Catalina Curceanu.
Τα νέα αποτελέσματα βασίζονται στην ιδέα ότι η κβαντομηχανική μπορεί να αποτελεί μέρος μιας βαθύτερης και πιο ολοκληρωμένης θεωρίας. Αποκαλύπτοντας μια πιθανή σύνδεση μεταξύ των μοντέλων κατάρρευσης, της βαρύτητας και της συμπεριφοράς του χρόνου, το έργο υποδεικνύει προηγουμένως κρυφές συνδέσεις μεταξύ αυτών των θεμελιωδών πτυχών της φυσικής.
Ο Curceanu τόνισε επίσης τον ρόλο του FQxI στην υποστήριξη μη συμβατικών ερευνητικών κατευθύνσεων. «Δεν υπάρχουν πολλά ιδρύματα στον κόσμο που υποστηρίζουν έρευνα σε αυτά τα είδη θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με το σύμπαν, τον χώρο, τον χρόνο και την ύλη», λέει ο Curceanu. «Το έργο μας δείχνει ότι ακόμη και ριζοσπαστικές ιδέες για την κβαντομηχανική μπορούν να δοκιμαστούν σε σχέση με ακριβείς φυσικές μετρήσεις και ότι, καθησυχαστικά, η χρονομέτρηση παραμένει ένας από τους πιο σταθερούς πυλώνες της σύγχρονης φυσικής».
www.worldenergynews.gr
