Είναι ένα ανεπαίσθητο φαινόμενο ακόμη και για τα πιο ακριβή ρολόγια, όμως η θεωρητική φυσική υποδηλώνει ότι, στο πιο θεμελιώδες επίπεδό του, ο χρόνος θα μπορούσε να παρουσιάζει απειροελάχιστες διακυμάνσεις. Η κβαντομηχανική, η θεωρία που διέπει τον υποατομικό κόσμο, βασίζεται σε ένα επίμονο παράδοξο. Περιγράφει σωματίδια που μπορούν να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις ή τοποθεσίες ταυτόχρονα, ένα φαινόμενο που περιγράφεται μαθηματικά μέσω της κυματοσυνάρτησης.
Ωστόσο, αυτή η υπέρθεση καταστάσεων συγκρούεται μετωπικά με τη μακροσκοπική πραγματικότητα, όπου τα αντικείμενα κατέχουν σαφώς καθορισμένες ιδιότητες.
Η κβαντική ορθοδοξία επιλύει αυτή την αντίφαση μέσω του αξιώματος της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης: τη στιγμή που ένα σύστημα μετριέται ή παρατηρείται, εγκαταλείπει τη διάχυτη κατάστασή του για να υιοθετήσει μια μοναδική, καθορισμένη μορφή. Τώρα, μια διεθνής έρευνα με την υποστήριξη του Foundational Questions Institute (FQxI) διερεύνησε τις βαθιές συνέπειες για την ίδια τη φύση του χρόνου που θα προέκυπταν από ένα σύνολο εναλλακτικών θεωριών οι οποίες τροποποιούν αυτό το αξίωμα, γνωστές ως μοντέλα αυθόρμητης κατάρρευσης.
Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Research, προτείνουν έναν νέο τρόπο πειραματικού διαχωρισμού αυτών των θεωριών από την καθιερωμένη κβαντομηχανική και, στην πορεία, αφήνουν να εννοηθεί μια κρυφή σύνδεση μεταξύ του κβαντικού πεδίου, της βαρύτητας και του υφάσματος του χρόνου.
Η μελέτη διεξήχθη υπό την καθοδήγηση του Nicola Bortolotti, διδακτορικού φοιτητή στο Μουσείο και Κέντρο Ερευνών Enrico Fermi (CREF) στη Ρώμη, ο οποίος, μαζί με μια ομάδα διεθνών συνεργατών, αποφάσισε να πάρει στα σοβαρά μια υπόθεση που αναπτύσσεται εδώ και δεκαετίες. «Αυτό που κάναμε ήταν να εξετάσουμε σοβαρά την ιδέα ότι τα μοντέλα κατάρρευσης μπορεί να συνδέονται με τη βαρύτητα», λέει ο Bortolotti. «Και στη συνέχεια θέσαμε ένα πολύ συγκεκριμένο ερώτημα: Τι συνεπάγεται αυτό για τον ίδιο τον χρόνο;»
Η ομάδα απαρτίζεται από την Catalina Curceanu, μέλος του FQxI και διευθύντρια έρευνας στα Εθνικά Εργαστήρια Frascati του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής (INFN-LNF) στην Ιταλία, τον Kristian Piscicchia, από το CREF και το INFN-LNF, τον Lajos Diósi, από το Ερευνητικό Κέντρο Φυσικής Wigner και το Πανεπιστήμιο Eötvös Loránd στη Βουδαπέστη, Ουγγαρία, και τον Simone Manti, επίσης από το INFN-LNF.
Τα μοντέλα αυθόρμητης κατάρρευσης, που αναπτύχθηκαν αρχικά τη δεκαετία του 1980, προτείνουν έναν αντικειμενικό φυσικό μηχανισμό για την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Σε αντίθεση με τις καθαρά φιλοσοφικές ερμηνείες της κβαντομηχανικής, τα μοντέλα αυτά ενσωματώνουν μαθηματικές τροποποιήσεις στις θεμελιώδεις εξισώσεις, εισάγοντας μια διαδικασία αυθόρμητου τοπικού προσδιορισμού (localization) που συμβαίνει συνεχεία και τυχαία, ανεξάρτητα από την παρουσία παρατηρητή.
Αυτό τους προσδίδει έναν εμπειρικά ελέγξιμο χαρακτήρα, καθώς οι ποσοτικές προβλέψεις τους μπορούν, θεωρητικά, να ελεγχθούν μέσω πειραμάτων εξαιρετικής ακρίβειας. Η ομάδα επικεντρώθηκε σε δύο από αυτά τα μοντέλα.
Το πρώτο, γνωστό ως μοντέλο Diósi–Penrose —του οποίου τα ονόματα τιμούν δύο μέλη του FQxI, τον ίδιο τον Lajos Diósi και τον Sir Roger Penrose— έχει ιστορικά διατυπώσει έναν εννοιολογικό δεσμό μεταξύ της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης και των βαρυτικών επιδράσεων. Το δεύτερο μοντέλο που αναλύθηκε ήταν ο Συνεχής Αυθόρμητος Τοπικός Προσδιορισμός (CSL).
Η σύνδεση της κβαντικής κατάρρευσης με τις διακυμάνσεις του χρόνου και η επίδρασή της στη Μετρολογία
Η καινοτομία της εργασίας έγκειται στην ποσοτική σύνδεση που καθιερώνει μεταξύ αυτών των μοντέλων και των διακυμάνσεων του χωροχρόνου. Η ανάλυση καταδεικνύει ότι, εάν οποιαδήποτε από αυτές τις θεωρίες αυθόρμητης κατάρρευσης περιγράφει σωστά τη φυσική πραγματικότητα, τότε ο χρόνος —η παράμετρος που θεωρούμε απόλυτη και ομοιόμορφη— δεν μπορεί να είναι απόλυτα ομαλός.
Αντ’ αυτού, θα παρουσίαζε μια μικροσκοπική εγγενή αβεβαιότητα, ένα είδος «τικ» ή θεμελιώδους διακύμανσης. Αυτή η ιδιότητα θα επέβαλλε ένα απόλυτο θεωρητικό όριο στην ακρίβεια με την οποία οποιοδήποτε ρολόι, ανεξαρτήτως τεχνολογίας, θα μπορούσε να μετρήσει το πέρασμα του χρόνου. «Μόλις κάνεις τον υπολογισμό, η απάντηση είναι σαφής και εκπληκτικά καθησυχαστική», σημείωσε ο Bortolotti.
Η καθησυχαστική διαπίστωση στην οποία αναφέρεται ο ερευνητής εξηγείται από την απειροελάχιστη κλίμακα του φαινομένου. Η προβλεπόμενη χρονική διακύμανση είναι τόσο εξαιρετικά μικρής τάξης μεγέθους, που βρίσκεται πολύ κάτω από το όριο ανίχνευσης των πιο προηγμένων οργάνων που διαθέτουμε σήμερα ή οποιασδήποτε προβλεπόμενης εξέλιξης στο εγγύς μέλλον.
«Η αβεβαιότητα είναι πολλές τάξεις μεγέθους κάτω από οτιδήποτε μπορούμε να μετρήσουμε αυτή τη στιγμή, επομένως δεν έχει πρακτικές συνέπειες για την καθημερινή μέτρηση του χρόνου», διαβεβαιώνει η Catalina Curceanu. Ο Kristian Piscicchia ενισχύει αυτό το συμπέρασμα: «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ρητά ότι οι σύγχρονες τεχνολογίες χρονομέτρησης δεν επηρεάζονται καθόλου».
Πέρα από τις επιπτώσεις της στη μετρολογία του χρόνου, η μελέτη ρίχνει φως σε ένα από τα πιο ακανθώδη προβλήματα της σύγχρονης θεωρητικής φυσικής: την ενοποίηση της κβαντομηχανικής και της γενικής σχετικότητας. Η πρώτη αντιμετωπίζει τον χρόνο ως μια εξωτερική, κλασική παράμετρο, ένα σταθερό υπόβαθρο πάνω στο οποίο εκτυλίσσονται τα κβαντικά φαινόμενα.
Η δεύτερη, η θεωρία του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα, αντιλαμβάνεται τον χρόνο ως μια δυναμική και εύπλαστη διάσταση, η οποία καμπυλώνεται και παραμορφώνεται παρουσία μάζας και ενέργειας. Η αναζήτηση για μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας που θα συμφιλίωνε αυτές τις εκ διαμέτρου αντίθετες προσεγγίσεις παραμένει άκαρπη εδώ και σχεδόν έναν αιώνα.
Η εργασία της ομάδας που χρηματοδοτείται από το FQxI υποδηλώνει ότι τα μοντέλα αυθόρμητης κατάρρευσης θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα θραύσμα αυτής της θεωρητικής γέφυρας. Αποδεικνύοντας ότι οι κβαντικές τροποποιήσεις που προτείνονται από αυτά τα μοντέλα μεταφράζονται αναπόφευκτα σε διακυμάνσεις στον χρόνο —μια εγγενώς σχετική και βαρυτική έννοια— η μελέτη καθιερώνει μια επίσημη, ποσοτικοποιήσιμη σύνδεση μεταξύ των δύο πεδίων. «Στη γενική σχετικότητα, ο χρόνος και ο χώρος είναι εύπλαστοι, αλλάζουν και κάμπτονται υπό την επήρεια αντικειμένων με μάζα», εξηγεί η Curceanu, τονίζοντας την υβριδική φύση των συμπερασμάτων που προέκυψαν.
Η Catalina Curceanu έδωσε έμφαση στον καταλυτικό ρόλο που διαδραμάτισε το FQxI στην υποστήριξη ερευνητικών κατευθύνσεων που βρίσκονται εκτός του κυρίαρχου ρεύματος (mainstream). «Δεν υπάρχουν πολλά ιδρύματα στον κόσμο που υποστηρίζουν την έρευνα πάνω σε τέτοιου είδους θεμελιώδη ερωτήματα για το σύμπαν, τον χώρο, τον χρόνο και την ύλη», αναφέρει. Ο τελικός της στοχασμός συνοψίζει το πνεύμα του ευρήματος: «Η εργασία μας αποδεικνύει ότι ακόμη και οι πιο ριζοσπαστικές ιδέες για την κβαντομηχανική μπορούν να ελεγχθούν έναντι ακριβών φυσικών μετρήσεων και ότι, καθησυχαστικά, η μέτρηση του χρόνου παραμένει ένας από τους πιο σταθερούς πυλώνες της σύγχρονης φυσικής».
Η μελέτη, επομένως, λειτουργεί σε δύο μέτωπα: Από την μία πλευρά, ανοίγει ένα παράθυρο προς μια πιο θεμελιώδη φυσική στην οποία ο χρόνος θα μπορούσε να έχει μια εγγενώς κυμαινόμενη φύση. Από την άλλη, επιβεβαιώνει την εξαιρετική σταθερότητα των θεμελίων πάνω στα οποία είναι οικοδομημένη η σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία.
