Co wygląda na upływający czas dla prawdziwie kwantowego obiektu? Najlepsze zegary na świecie wkrótce będą mogły odpowiedzieć na to pytanie, testując, jak czas może się rozciągać i przesuwać w kwantowym świecie, pozwalając nam zbadać niezbadane obszary fizyki.
Pomysł, że upływ czasu może się zmieniać lub rozszerzać, ma swoje korzenie w specjalnej teorii względności Alberta Einsteina. Einstein pokazał, że gdy obiekt zbliża się do światła, czas wydaje się wolniej płynąć dla niego niż dla stacjonarnego obserwatora. Rozszerzył ten pomysł swoją ogólną teorią względności, pokazując, że pole grawitacyjne ma ten sam efekt zniekształcania czasu. Igor Pikovski z Instytutu Technologicznego Stevensa w New Jersey i jego koledzy chcieli zrozumieć, czy coś podobnego może się wydarzyć z czasem w mikroskopowym kwantowym świecie, mierzone czasem przez ultrazimny zegar złożony z jonów.
„Eksperymenty do chwili obecnej zawsze odczuwają coś w rodzaju klasycznego czasu, czasu, który nie ma nic wspólnego z mechaniką kwantową” – mówi Pikovski. „Zdaliśmy sobie sprawę, że istnieje reżim, w którym opis ten po prostu zawodzi” – dodaje.
Takie zegary są złożone z tysięcy jonów, które są schładzane do temperatur bliskich zera absolutnego poprzez uderzanie w nie lasery. Przy tych ekstremalnych temperaturach stany kwantowe jonów i elektronów w nich mogą być bardzo precyzyjnie kontrolowane siłami elektromagnetycznymi. Tiki jonowe są więc zależne od tych elektronów, które w sposób powtarzalny oscylują między dwoma określonymi stanami kwantowymi.
Ponieważ ich działanie jest dyktowane prawami mechaniki kwantowej, te zegary były idealnym miejscem do eksploracji, jak relatywistyczne i kwantowe efekty mogą się zmieszać, wpływając na tiki zegarów. Pikovski mówi, że badacze zidentyfikowali kilka przypadków, gdzie to powinno się wydarzyć.
Jednym z przykładów wynika z faktu, że fizyka kwantowa nie cierpi pustki. Zamiast być w stanie nieruchomości i zamrożenia, nawet przy ekstremalnie niskich temperaturach obiekty kwantowe muszą oscylować, losowo zyskując lub tracąc energię. Obliczenia zespołu pokazały, że te fluktuacje mogą rozciągać pomiar czasu zegara. Efekt ten byłby bardzo mały, ale bardzo prawdopodobnie obserwowalny w istniejących eksperymentach z zegarami jonowymi.
Badacze również matematycznie modelowali, co by się stało, gdyby jony zegara zostały „ściśnięte”, aby wytworzyć „nadpołożenie” kilku stanów kwantowych. Odkryli, że tiki zegara, określone przez elektrony w jonach, stałyby się nierozerwalnie związane z ruchem samego jonu – stany jonów i elektronów stałyby się splątane kwantowo. „Zwykle w eksperymentach musisz stosować sztuczki, aby inżynierowane było splątanie. Fascynujące jest to, że przychodzi ono, czy chcesz, czy nie” – mówi członek zespołu, Christian Sanner z Colorado State University.
Pikovski mówi, że intuicyjnie wydaje się, że kwantowy obiekt w nadpołożeniu stanów nie mógłby doświadczyć tylko jednego odczuwania czasu, ale efekt ten nigdy nie został obserwowany w eksperymencie. Powinno to być możliwe w najbliższej przyszłości, mówi.
Członek zespołu, Gabriel Sorci z Instytutu Technologicznego Stevensa, mówi, że następnym krokiem jest dodanie kolejnego istotnego składnika współczesnej fizyki – grawitacji. Ultrazimne zegary mogą już wykrywać rozszerzanie się czasu z powodu mikroskopijnych zmian w siłach przyciągania grawitacyjnego Ziemi, na przykład gdy są podnoszone nawet o kilka milimetrów, ale dokładnie, jak ten efekt mógłby się zmieszać z kwantowym charakterem zegara, jest pytaniem otwartym.
„Myślę, że jest to faktycznie dość rozsądne do zrobienia przy obecnym stanie technologii” – mówi David Hume z Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii w Kolorado. Twierdzi, że największym wyzwaniem byłoby zapobieżenie drobnym zaburzeniom z otoczenia zegara, które przytłoczyłyby efekty wskazane przez zespół Pikovskiego. Jeśli eksperyment się powiedzie, pozwoliłoby to badaczom zgłębiać zjawiska fizyczne, których wcześniej nie mogli poznawać, mimo że teoria kwantowa i teoria względności są dwoma filarami, które od dawna podtrzymują wiele dziedzin współczesnej fizyki, dodaje.
„Eksperymenty tego typu są ekscytujące, ponieważ zmuszają te teorie do stawienia czoła sobie w dziedzinie, gdzie jest szansa, że można się czegoś nowego nauczyć” – mówi Alexander Smith z Saint Anselm College w New Hampshire.
