Как идут глобальные часы Вселенной?

Наименьший возможный отрезок времени может быть не больше миллионной доли миллиардной доли миллиардной доли секунды. Это в соответствии с новой теорией, описывающей последствия того, что Вселенная обладает фундаментальным свойством, подобным часам, тиканье которых будет взаимодействовать с нашими лучшими атомными часами.

Такая идея могла бы помочь ученым приблизиться к проведению экспериментов, которые осветили бы теорию всего, всеобъемлющую структуру, которая бы примиряла два столпа физики 20-го века — квантовую механику, которая рассматривает мельчайшие объекты и теорию относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает самые массивные из них.

У большинства из нас есть чувство времени. Но что такое время?

«Мы не знаем», — говорит Мартин Боджовальд, физик из Пенсильванского государственного университета. «Мы знаем, что все меняется, и описываем это изменение в терминах времени.»

Физика представляет два противоречивых взгляда на время, добавил он. Один из них, основанный на квантовой механике, говорит о времени как о параметре, который никогда не прекращает течь в постоянном темпе.

Другой, выведенный из теории относительности, говорит ученым, что время может сжиматься и расширяться для двух наблюдателей, движущихся с разной скоростью, которые будут расходиться во мнениях о промежутке между событиями.

В большинстве случаев это несоответствие не так уж и важно. Отдельные области, описываемые квантовой механикой и теорией относительности, почти не пересекаются. Но некоторые объекты, такие как черные дыры, которые конденсируют огромную массу в невообразимо маленькое пространство, не могут быть полностью описаны без теории всего, которая известна как квантовая гравитация.

В некоторых версиях квантовой гравитации само время было бы квантовано, то есть оно состояло бы из дискретных единиц, которые были бы фундаментальным периодом времени.

Это было бы так, то Вселенная содержала бы базовое поле, которое устанавливает минимальную скорость «хода часов» для всего внутри нее, вроде знаменитого поля Хиггса, которое порождает частицу бозона Хиггса, которая придает другим частицам массу. Но эти универсальные часы, вместо того, чтобы давать массу, давали бы время.

Моделируя такие универсальные часы, ученые смогли показать, что это будет иметь последствия для созданных человеком атомных часов, которые используют маятниковые колебания определенных атомов, чтобы обеспечить наши лучшие измерения времени. Согласно этой модели, тиканье атомных часов иногда будет не синхронизировано с тиканьем универсальных часов.

Это ограничило бы точность измерений времени отдельных атомных часов, а это означает, что двое разных атомных часов могут в конечном итоге разойтись в том, как долго длился промежуток времени. Учитывая, что наши лучшие атомные часы согласуются друг с другом и могут измерять ход времени размером 10^-19 секунд или десятую часть миллиардной доли секунды, фундаментальная единица времени не может быть больше 10^-33 секунд, согласно статье, которая появилась 19 июня в журнале Physical Review Letters.

Исследования такого типа, как правило, чрезвычайно абстрактны, поэтому было важно видеть конкретный результат с наблюдательными последствиями для квантовой гравитации, что означает, что теория может быть однажды проверена.

Хотя проверка того, что такая фундаментальная единица времени существует, выходит за рамки наших нынешних технологических возможностей, она более доступна, чем предыдущие предложения, такие как планковское время, заявили исследователи в своей статье.

Исходя из фундаментальных констант, планковское время установило бы самые крошечные измеримые отрезки времени на 10^-44 секунды, или десятитысячную миллиардную миллиардной доли миллиардной доли миллиардной доли секунды.

Вопрос о том, существует ли какой-то отрезок времени меньший, чем планковский, или нет, остается спорным, поскольку ни квантовая механика, ни теория относительности не могут объяснить, что происходит ниже этого масштаба. «Нет смысла говорить о времени вне этих единиц, по крайней мере, в наших нынешних теориях», — говорят исследователи.

Поскольку сама Вселенная начиналась как массивный объект в крошечном пространстве, которое затем быстро расширялось, Мартин Боджовальд говорит, что космологические наблюдения, такие как тщательные измерения реликтового микроволнового фона, могут помочь ограничить фундаментальный период времени до еще меньшего уровня.