Часы Шрёдингера: идут быстро, идут медленно, идут в обе стороны. Физики создали теорию раздвоенного времени

Квантовая суперпозиция добралась до самого главного…

Время в физике и без того остается одной из самых трудных тем. Мы постоянно пользуемся часами, навигаторами и системами синхронизации, но даже в фундаментальной науке до конца не ясно, что именно представляет собой течение времени, если смотреть на него не в бытовом масштабе, а на уровне самых точных теорий. Исследователи из США предложили новую теоретическую схему, в которой время может находиться в суперпозиции . Иными словами, одни и те же часы в таком описании могут одновременно идти и быстрее, и медленнее.

Работа затрагивает стык двух крупных областей физики, которые давно сосуществуют не слишком удобно. С одной стороны есть теория относительности , где ход времени зависит от скорости и положения в гравитационном поле. С другой стороны есть квантовая механика , где частица может находиться сразу в нескольких состояниях до измерения. Авторы новой статьи пытаются понять, что получится, если применить квантовую логику не только к частицам или полям, но и к самому течению времени, которое измеряют часы.

В рамках теории относительности идея о разном ходе времени давно не выглядит экзотикой. Каждый объект, если говорить строго, переживает собственное время, которое зависит от его движения и положения. Исследователи напоминают один наглядный пример: специалисты NIST уже показывали на сверхточных часах, что прибор, движущийся со скоростью 10 метров в секунду на протяжении 57 миллионов лет, отстанет от неподвижного на одну секунду. В популярном изложении ту же идею часто связывают с парадоксом близнецов, когда один из двух одинаковых людей стареет иначе, если движется быстрее другого.

Если смотреть на движение часов не с позиции классической физики, а с точки зрения квантовой механики, их состояние может быть не определено однозначно. Часы тогда могут находиться в суперпозиции разных состояний движения. А раз скорость и положение влияют на ход времени, в суперпозиции оказывается и само течение времени. По сути, авторы предлагают рассматривать ситуацию, где один и тот же квантовый объект несет в себе сразу несколько разных темпов отсчета.

Мы в MAX. Простите. Читайте нас хотя бы там.

Авторы объясняют идею через параллель со знаменитым мысленным экспериментом Шрёдингера, но с поправкой на время. Если в привычной версии кот одновременно и жив, и мертв, то здесь один и тот же объект может одновременно оказаться и моложе, и старше в зависимости от того, как устроена квантовая суперпозиция состояний, влияющих на ход часов. На бытовом уровне концепция звучит почти абсурдно, но именно такие странные конструкции часто возникают, когда физики пытаются совместить квантовую механику с релятивистским описанием мира.

Один из авторов, теоретик Игорь Пиковский, еще более 10 лет назад предполагал, что квантовая теория должна допускать суперпозицию времени. Тогда проблема упиралась не столько в математику, сколько в возможности эксперимента. Чтобы заметить такие эффекты, нужны чрезвычайно чувствительные часы и очень тонкий контроль над их квантовым состоянием. Теперь исследователи считают, что технологии наконец приблизились к нужному уровню.

В работе особое место занимают атомные часы . Команда рассматривает системы, где отдельные ионы, в частности алюминия и иттербия, удерживают в ловушке и охлаждают до абсолютного нуля. После этого их квантовым состоянием управляют лазерными импульсами. В таком режиме часы становятся настолько чувствительными, что могут замечать крошечные различия в ходе времени, вызванные даже тепловыми колебаниями при ничтожных температурах.

Но на этом эффект не заканчивается. Авторы подчеркивают, что даже при абсолютном нуле полностью убрать влияние нельзя. В квантовой физике остается так называемое основное состояние , где система уже не несет обычного теплового движения, но все равно сохраняет квантовые флуктуации. Исследователи пишут, что и одного этого достаточно, чтобы повлиять на частоту хода часов. Иначе говоря, даже в предельно охлажденной системе сам квантовый шум продолжает менять то, как идет время.

Команда пошла еще дальше и рассмотрела ситуацию, где можно специально изменять состояние вакуума. В статье говорится о создании сжатых состояний. В таких состояниях положение и скорость часов могут проявлять квантовое поведение в особенно явном виде. Именно на такой основе авторы и описывают сценарий, в котором возникают суперпозиция и запутанность, связанные уже не просто с частицей или ионом, а с релятивистским течением времени, которое регистрируют сами часы.

В результате в теоретической модели один прибор начинает одновременно измерять несколько вариантов собственного хода. Проще говоря, часы в такой схеме могут тикать быстрее и медленнее сразу в одном и том же квантовом состоянии. Для классической физики такая картина невозможна, потому что там у часов в каждый момент есть один конкретный темп. Здесь же речь идет о запутанности , связанной уже не просто с частицей или ионом, а с релятивистским течением времени, которое регистрируют сами часы.

Пока все это остается теоретической работой. Статью опубликовали в Physical Review Letters, а следующим шагом должны стать лабораторные проверки. Исследователи рассчитывают, что современные технологии уже позволяют подойти к эксперименту вплотную. Если измерения подтвердят расчеты, физика получит не просто еще одну красивую идею о природе времени, а новый способ проверять, как именно квантовая теория и относительность начинают работать вместе в одной системе.

Интерес к таким работам связан не только с философскими вопросами. Атомные часы уже лежат в основе навигации, синхронизации сетей и множества высокоточных технологий. Чем лучше физики понимают саму природу хода времени в экстремально точных режимах, тем яснее становится, где проходят границы нынешних теорий и какие эффекты можно будет использовать в будущих квантовых устройствах. В этом смысле статья важна не громкими обещаниями, а тем, что переводит очень старый вопрос о времени в форму, которую можно попытаться проверить в лаборатории.