Υπάρχουν κρυφές συνδέσεις ανάμεσα σε μερικά από τα πιο μυστηριώδη φαινόμενα της σύγχρονης φυσικής, συμπεριλαμβανομένης της βαρύτητας, της κβαντομηχανικής και της ίδιας της φύσης. του χρόνου; Αυτή είναι η υπόθεση πίσω από μια νέα έρευνα που καταπιάνεται με μερικά από τα πιο περίπλοκα προβλήματα που συνεχίζουν να προκαλούν αμηχανία στους φυσικούς.
Σύμφωνα με τα νέα ευρήματα, το διαχρονικό μυστήριο του χρόνου θα μπορούσε να κρατά το κλειδί για την επίλυσή τους. Αυτό υποστηρίζει μια πρόσφατη μελέτη από μια διεθνή ομάδα φυσικών, η οποία χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το Foundational Questions Institute (FQxI).
Η μελέτη εφάρμοσε μια αντισυμβατική προσέγγιση σε ένα μακροχρόνιο πρόβλημα μέτρησης στην κβαντομηχανική, το οποίο αφορά τα λεγόμενα «μοντέλα κβαντικής κατάρρευσης».
Η παράξενη πλευρά της Φυσικής
Στον φυσικό κόσμο, δεν υπακούουν τα πάντα στους διαισθητικούς νόμους της κίνησης και της μηχανικής που διατυπώθηκαν από προσωπικότητες όπως ο Ισαάκ Νεύτων.
Κατά τον περασμένο αιώνα, ένας αυξανόμενος αριθμός ανακαλύψεων αποκάλυψε μια πιο παράξενη πλευρά του φυσικού κόσμου – μια πλευρά που λειτουργεί στις μικρότερες κλίμακες, αλλά παρουσιάζει μερικές από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη σύγχρονη φυσική.
Αυτές περιλαμβάνουν διαχρονικά μυστήρια όπως η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, η πραγματική φύση της βαρύτητας και κβαντικά φαινόμενα, όπως η υπέρθεση, η οποία περιγράφει πώς τα σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, μπορούν να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα μέχρι να μετρηθούν ή να παρατηρηθούν, οπότε και καταρρέουν σε μια ενιαία, καθορισμένη κατάσταση.
Παρόλο που τα κβαντικά φαινόμενα παρουσιάζουν τέτοιες παραδοξότητες, το ίδιο δεν ισχύει για τα καθημερινά αντικείμενα. Αυτή η αναντιστοιχία αποτελεί μια σημαντική πρόκληση για τους φυσικούς, οι οποίοι προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να συμβιβάσουν τον ορατό, μακροσκοπικό κόσμο με τον αόρατο κβαντικό κόσμο.
Μια καινοτόμος προσέγγιση
Στη νέα μελέτη, οι φυσικοί ακολούθησαν μια αντισυμβατική προσέγγιση για την αντιμετώπιση των προβλημάτων κβαντικής μέτρησης χρησιμοποιώντας «μοντέλα κβαντικής κατάρρευσης». Η εργασία τους αποκάλυψε ότι η εφαρμογή αυτών των μοντέλων μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρεται ο χρόνος —και στο πόσο ακριβώς μπορεί να μετρηθεί— σύμφωνα με τον Nicola Bortolotti του CREF στη Ρώμη της Ιταλίας.
Αναφέρει ότι ο ίδιος και οι συνάδελφοί του ξεκίνησαν με μια θεμελιώδη παρατήρηση. «Αυτό που κάναμε ήταν να πάρουμε στα σοβαρά την ιδέα ότι τα μοντέλα κατάρρευσης μπορεί να συνδέονται με τη βαρύτητα», δήλωσε ο Bortolotti.
Αν αυτή η υπόθεση αποδεικνυόταν σωστή, ο Bortolotti και οι συνεργάτες του συνειδητοποίησαν ότι θα είχε ευρύτερες προεκτάσεις, ιδιαίτερα όσον αφορά τη φύση του χρόνου.
«Τι συνεπάγεται αυτό για τον ίδιο τον χρόνο;» αναρωτιέται ο Bortolotti.
Η ουσία είναι ο χρόνος
Ένα στοιχείο προέρχεται από έρευνες δεκαετιών πάνω στην αυθόρμητη κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, ένα φαινόμενο που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη συμπεριφορά πολλαπλών καταστάσεων των κβαντικών συστημάτων σε υπέρθεση.
Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1980, οι ερευνητές ανέπτυξαν μοντέλα για να εξηγήσουν γιατί η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης μπορεί να συμβαίνει ανεξάρτητα από την παρατήρηση.
Αυτές οι προσεγγίσεις διαφέρουν σημαντικά από τις συμβατικές ερμηνείες της κβαντομηχανικής, προσφέροντας προβλέψεις που είναι πιο συνεπείς — και ενδεχομένως ελέγξιμες στο εργαστήριο.
Έχοντας αυτό κατά νου, ο Bortolotti και η ομάδα του διερεύνησαν μια πιθανή σύνδεση μεταξύ των μοντέλων κατάρρευσης και της βαρύτητας.
Μια κυρίαρχη θεωρία, γνωστή ως μοντέλο Diósi-Penrose, προτείνει ομοίως μια σύνδεση μεταξύ της βαρύτητας και της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης. Βασιζόμενη σε αυτό, η ομάδα δημιούργησε μια σύνδεση μεταξύ του μοντέλου Diósi-Penrose και ενός άλλου πλαισίου, του Συνεχούς Αυθόρμητου Εντοπισμού (Continuous Spontaneous Localization), και από εκεί εντόπισε συνδέσεις μεταξύ των δύο μοντέλων και ανεπαίσθητων διακυμάνσεων στον βαρυτικό χωροχρόνο.
Περιορισμοί στην μέτρηση του χρόνου
Στον πυρήνα της, η μελέτη υποδηλώνει ότι εάν τα μοντέλα κατάρρευσης περιγράφουν με ακρίβεια τη θεμελιώδη φυσική φαινομένων όπως η βαρύτητα, τότε ενδέχεται να υπάρχουν θεμελιώδη όρια στο πόσο ακριβώς μπορεί να μετρηθεί ο χρόνος — αν και σε εξαιρετικά μικρή κλίμακα.
«Η αβεβαιότητα είναι πολλές τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από οτιδήποτε μπορούμε να μετρήσουμε επί του παρόντος, επομένως δεν έχει πρακτικές συνέπειες για την καθημερινή χρονομέτρηση», λέει η Catalina Curceanu, διευθύντρια ερευνών στα Εθνικά Εργαστήρια του Φρασκάτι του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής, η οποία ήταν επίσης μία εκ των συντακτών της μελέτης.
Αν και αυτά τα ευρήματα δεν έχουν πρακτικό αντίκτυπο στη μέτρηση του χρόνου, υποδεικνύουν κάτι πιο θεμελιώδες στην κατανόησή μας για τη φυσική: τη συνεχή αναζήτηση ενός ενιαίου πλαισίου που θα συμβιβάζει την κβαντομηχανική με τη βαρύτητα και τον χρόνο.
Η Curceanu σημειώνει ότι στην κβαντομηχανική, «ο χρόνος αντιμετωπίζεται ως μια εξωτερική, κλασική παράμετρος που δεν επηρεάζεται από το κβαντικό σύστημα που μελετάται». Ωστόσο, αυτό έρχεται σε αντίθεση με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, όπου ο χρόνος και ο χώρος είναι βαθιά συνυφασμένοι και μπορούν να επηρεαστούν από την ενέργεια και τη μάζα.
Στην καρδιά της νέας έρευνας βρίσκεται η πρόταση ότι η κβαντομηχανική μπορεί να αντιπροσωπεύει μόνο ένα συστατικό μιας βαθύτερης, πιο ολοκληρωμένης θεωρίας που οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη αποκαλύψει πλήρως.
Παρόλα αυτά, το έργο της ομάδας αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς αυτόν τον στόχο, ρίχνοντας φως στις πιθανές συνδέσεις μεταξύ των μοντέλων κατάρρευσης, της βαρύτητας, του χρόνου και άλλων ανεπίλυτων φαινομένων. «Η δουλειά μας δείχνει ότι ακόμη και ριζοσπαστικές ιδέες για την κβαντομηχανική μπορούν να ελεγχθούν με ακριβείς φυσικές μετρήσεις», δήλωσε η Curceanu, προσθέτοντας ωστόσο καθησυχαστικά ότι «η χρονομέτρηση παραμένει ένας από τους πιο σταθερούς πυλώνες της σύγχρονης φυσικής».
Η πρόσφατη εργασία της ομάδας, με τίτλο «Θεμελιώδη όρια στην ακρίβεια των ρολογιών από την αβεβαιότητα του χωροχρόνου στα μοντέλα κβαντικής κατάρρευσης» (“Fundamental limits on clock precision from spacetime uncertainty in quantum collapse models”) των Nicola Bortolotti, Catalina Curceanu, Lajos Diósi, Simone Manti και Kristian Piscicchia, δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Research.
