Μία ομάδα επιστημόνων από το τμήμα φυσικής του King’s College London, ανακάλυψε ένα σύνολο μαθηματικών εξισώσεων που κάνουν δυνατή την κατασκευή ενός ρολογιού από οποιαδήποτε αλληλουχία τυχαίων γεγονότων, μια ανακάλυψη που επαναπροσδιορίζει την ουσία της μέτρησης του χρόνου και θέτει ένα νέο πρότυπο για τον διαχωρισμό ανάμεσα στις κλασικές και τις κβαντικές συμπεριφορές των φυσικών και των βιολογικών συστημάτων.
Το θεωρητικό αυτό πλαίσιο, το οποίο περιγράφεται σε πρόσφατη δημοσίευση, προσφέρει την μαθηματική «συνταγή» για την μετατροπή φαινομενικά χαοτικών στοχαστικών διεργασιών – από τις διακυμάνσεις του χρηματιστηρίου μέχρι τους χτύπους της καρδιάς – σε εργαλεία μέτρησης του χρόνου με ακρίβεια η οποία ορίζεται από ένα θεμελιώδες όριο.
Η έρευνα, με επικεφαλής τον Δρ. Mark Mitchison, ξεκινά από ένα σκεπτικό, που είναι ταυτόχρονα βαθιά φιλοσοφικό και πρακτικό: ο ορισμός του χρόνου που συνόψισε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, όταν είπε πως «χρόνος είναι ό,τι μετρά ένα ρολόι».
Σε αντίθεση με την προβλέψιμη κανονικότητα ενός ρολογιού χειρός, τα ρολόγια τοίχου, βασίζονται σε τυχαία γεγονότα – γνωστά ως διαδικασίες Markov, όπου κάθε συμβάν ή “άλμα”, εξαρτάται μόνο από το άμεσα προηγούμενο – λειτουργώντας με διαφορετική λογική, αξιοποιώντας τις εγγενείς στατιστικές των ακανόνιστων ακολουθιών για να εκτιμήσουν τη ροή του χρόνου.
Η σημαντική πρωτοπορία της ομάδας, είναι στο ότι απέδειξαν μαθηματικά εξισώσεις που, όχι μόνο επιτρέπουν την κατασκευή ενός τέτοιου ρολογιού, αλλά και στο ότι έθεσαν το πιο αυστηρό μαθηματικό όριο μέχρι σήμερα για την μέγιστη ακρίβεια που μπορεί να επιτύχει οποιοδήποτε τέτοιο κλασικό ρολόι αυτού του τύπου.
Η άμεση συνέπεια της ανακάλυψης αυτής, έχει δύο πτυχές. Πρώτον, λειτουργεί ως ανιχνευτής της “κβαντικότητας” στον μακροσκοπικό κόσμο. Αν ένα σύστημα που φαίνεται να συμπεριφέρεται με έναν κλασικά Μαρκοβιανό τρόπο – δηλαδή, διέπεται από τους νόμους της παραδοσιακής στατιστικής φυσικής – υπερβεί το όριο ακριβείας που έχει καθιερωθεί από τις εξισώσεις, τότε αποτελεί ισχυρή απόδειξη πως, τα κβαντικά αποτελέσματα διέπουν τη λειτουργία του.
Προεκτάσεις της ανακάλυψης
Αυτό εξηγεί, από τη νέα οπτική, γιατί οι κβαντικές τεχνολογίες, όπως είναι τ’ ατομικά ρολόγια, τα οποία αξιοποιούν τις ενεργειακές μεταβάσεις των ατόμων, υπερβαίνουν κατά πολύ την ακρίβεια κάθε αμιγώς κλασικού μηχανισμού μέτρησης του χρόνου Το Μαρκοβιανό ρολόι, αποτελεί τη γραμμή διάκρισης ανάμεσα στα δύο πεδία της φυσικής.
Δεύτερον, το πλαίσιο προσφέρει ένα ισχυρό εργαλείο για τις επιστήμες της ζωής. Ο Δρ. Mitchison δείχνει την εφαρμογή του με το παράδειγμα της κινεσίνης, μιας μοριακής πρωτεΐνης που είναι απαραίτητη για τη μεταφορά ενδοκυτταρικών φορτίων. Αυτή η μικροσκοπική μοριακή μηχανή, η οποία προχωρά κατευθυντικά κατά μήκος των μικροσωληνίσκων των κυττάρων, εναλλάσσοντας τα δύο “πόδια” της, μετατρέποντας αποδοτικά την περιβαλλοντική θερμική ενέργεια – εγγενώς τυχαία- σε τακτική, ρυθμική κίνηση, παρόμοια με το “τικ-τακ” ενός ρολογιού.
Η δυσλειτουργία της ακριβούς αυτής διαδικασίας, συνδέεται με ασθένειες, όπως είναι η πλάγια μυατροφική σκλήρυνση (ALS) (νόσος του κινητικού νευρώνα). Μοντελοποιώντας τις πρωτεΐνες αυτές ως Μαρκοβιανά ρολόγια, οι ερευνητές μπόρεσαν να ποσοτικοποιήσουν την αποτελεσματικότητά τους και να καταλάβουν πώς προκύπτουν η τάξη και η τακτικότητα από το θερμικό χάος στα βιολογικά συστήματα, μία αρχή που εκδηλώνεται ανά πολλαπλές κλίμακες, από τα οικοσυστήματα μέχρι το εσωτερικό ενός κυττάρου.
Η ανάπτυξη της θεωρίας, προέκυψε από ένα θεμελιώδες ερώτημα σχετικά με τις ελάχιστες προϋποθέσεις για τη μέτρηση του χρόνου. «Στόχος μας ήταν να ανακαλύψουμε τα απαραίτητα ελάχιστα συστατικά για να φτιάξουμε ένα ρολόι», εξήγησε ο Δρ. Mitchison.Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να μετρήσουμε με ακρίβεια τον χρόνο αν ήμασταν αποκλεισμένοι σ’ ένα έρημο νησί; Βρήκαμε εξισώσεις που μας λένε πώς να δημιουργήσουμε ένα “ρολόι”, μετρώντας τυχαία συμβάντα γύρω μας, όπως τα κύματα που σκάνε στην ακτή ή ο χτύπος της καρδιάς.
Ο επιστήμονας πρόσθεσε ότι αυτό το θεωρητικό ρολόι αντιπροσωπεύει το καλύτερο που μπορεί να κατασκευαστεί μετρώντας τα Μαρκοβιανά γεγονότα σε ένα σύστημα που διέπεται από την κλασική φυσική, οπότε οποιαδήποτε απόκλιση από το αναμενόμενο μοτίβο αποκαλύπτει την παρουσία πιο εξωτικών υποκείμενων φαινομένων, όπως η κβαντική συμπεριφορά.
Πέρα από τις πρακτικές εφαρμογές, η εργασία εμβαθύνει σε οντολογικά ερωτήματα της σύγχρονης φυσικής . «Ο χρόνος βρίσκεται στον πυρήνα πολλών άλυτων μυστηρίων της κβαντικής φυσικής», σχολίασε ο Mitchison.
Γιατί ο χρόνος φαίνεται να κυλά μόνο προς μία κατεύθυνση; Γιατί θυμόμαστε το παρελθόν και όχι το μέλλον; Ποσοτικοποιείται ο χρόνος σε διακριτά μέρη με τον ίδιο τρόπο που συμβαίνει με την ενέργεια; Σκεπτόμενοι τι μπορούν να κάνουν τα ρολόγια, τελικά ευελπιστούμε να απαντήσουμε σε ορισμένα από τα ερωτήματα αυτά, σχετικά με τη φύση του χρόνου.
Με την καθιέρωση ενός θεμελιώδους ορίου στον κλασικό κόσμο, αυτή η έρευνα όχι μόνο παρέχει ένα νέο εργαλείο για την επιστήμη, αλλά και χαράσσει μια πορεία προς την κατανόηση των βαθύτερων κανόνων που διέπουν το σύμπαν.
