Физики открыли квантовое замедление времени

Согласно теоретическому исследованию, явление квантовой механики, известное как суперпозиция, может повлиять на хронометраж в высокоточных часах.

Исследование, описывающее эффект, показывает, что суперпозиция — способность элементарных частиц существовать более чем в одном состоянии одновременно — приводит к коррекции атомных часов, известной как «квантовое замедление времени».

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, учитывает квантовые эффекты, выходящие за рамки теории относительности Альберта Эйнштейна, чтобы сделать новое предсказание о природе времени.

«Каждый раз, когда мы разрабатываем более совершенные часы, мы узнаем что-то новое о мире», — сказал Александр Смит, доцент кафедры физики в Дартмутском колледже, который руководил исследованием. «Квантовое замедление времени является следствием как квантовой механики, так и теории относительности Эйнштейна, и, таким образом, предлагает новую возможность проверить фундаментальную физику на их пересечении».

В начале 1900-х годов Альберт Эйнштейн представил революционную картину пространства и времени, показав, что время, измеряемое часами, зависит от того, насколько быстро они движутся — по мере того, как скорость часов увеличивается, скорость их хода уменьшается. Это было радикальным отходом от абсолютного представления Исаака Ньютона о времени.

Квантовая механика, теория, управляющая атомным миром, позволяет часам двигаться так, как если бы они одновременно двигались с двумя разными скоростями: квантовая «суперпозиция» скоростей. В исследовательской статье эта возможность учитывается и предлагается вероятностная теория хронометража, которая привела к предсказанию квантового замедления времени.

Чтобы разработать новую теорию, ученые объединили современные методы квантовой информатики с теорией, разработанной в 1980-х годах, которая объясняет, как время может возникнуть из квантовой теории гравитации.

«Физики десятилетиями пытались учесть динамическую природу времени в квантовой теории», — говорят исследователи. «В нашей работе мы прогнозируем поправки к релятивистскому замедлению времени, которые проистекают из того факта, что часы, используемые для измерения этого эффекта, имеют квантово-механическую природу».

Точно так же, как датирование по углероду полагается на распадающиеся атомы для определения возраста органических объектов, время жизни возбужденного атома действует как часы. Если такой атом движется в суперпозиции разных скоростей, то его время жизни будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от характера суперпозиции относительно атома, движущегося с определенной скоростью.

Поправка к времени жизни атома настолько мала, что ее невозможно измерить в терминах, имеющих смысл в человеческом масштабе.

Но возможность учесть этот эффект может позволить провести проверку квантового замедления времени с использованием самых современных атомных часов.

Точно так же, как применение квантовой механики для медицинской визуализации, вычислений и микроскопии было трудно предсказать, когда эта теория только разрабатывалась в начале 1900-х годов, еще слишком рано представить себе все практические последствия квантового замедления времени.