Μια μελέτη με συγχρηματοδότηση από το FQxI υποδηλώνει κρυφές συνδέσεις ανάμεσα στην κβαντομηχανική, τη βαρύτητα και τον χρόνο. Οι επιστήμονες εξέτασαν με μια νέα ματιά ένα από τα πιο παράξενα προβλήματα της κβαντικής φυσικής και διαπίστωσαν ότι η απάντηση μπορεί να αγγίζει τον ίδιο τον χρόνο. Στην κβαντομηχανική, τα σωματίδια δεν συμπεριφέρονται όπως τα καθημερινά αντικείμενα.
Αντί να υπάρχουν σε μία σαφώς καθορισμένη κατάσταση, μπορούν να βρίσκονται σε πολλές πιθανές καταστάσεις ταυτόχρονα, ένα φαινόμενο γνωστό ως υπέρθεση. Οι φυσικοί περιγράφουν αυτή τη θολή κβαντική συμπεριφορά με ένα μαθηματικό αντικείμενο που ονομάζεται “κυματοσυνάρτηση“.
Στον συνηθισμένο κόσμο, όμως, τα πράγματα δεν φαίνεται να λειτουργούν έτσι. Μια καρέκλα βρίσκεται σε ένα σημείο, όχι σε δύο. Ένα ρολόι δείχνει μία ώρα, όχι πολλές. Η γεφύρωση αυτού του χάσματος μεταξύ του κβαντικού κόσμου και της καθημερινής εμπειρίας αποτελεί πρόκληση για τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες.
Για να συμβιβάσουν αυτή τη διαφορά, οι φυσικοί συνήθως υποστηρίζουν ότι όταν ένα κβαντικό σύστημα αλληλεπιδρά με μια συσκευή μέτρησης ή έναν παρατηρητή, η κυματοσυνάρτησή του “καταρρέει” σε ένα μοναδικό, οριστικό αποτέλεσμα.
Με την υποστήριξη του Ινστιτούτου Θεμελιωδών Ερωτημάτων (FQxI), μια διεθνής ομάδα φυσικών ερεύνησε μια σειρά από μη συμβατικές προσεγγίσεις σε αυτό το πρόβλημα της μέτρησης, γνωστές ως “μοντέλα κβαντικής κατάρρευσης“, αποκαλύπτοντας ότι θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές συνέπειες στον τρόπο που συμπεριφέρεται ο χρόνος και στην ακρίβεια με την οποία μπορεί να μετρηθεί. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Research, προτείνουν επίσης μια νέα στρατηγική για τον πειραματικό διαχωρισμό αυτών των μοντέλων από την καθιερωμένη κβαντική θεωρία.
«Αυτό που κάναμε ήταν να πάρουμε στα σοβαρά την ιδέα ότι τα μοντέλα κατάρρευσης μπορεί να συνδέονται με τη βαρύτητα», λέει ο Nicola Bortolotti, διδακτορικός φοιτητής στο Μουσείο και Ερευνητικό Κέντρο Enrico Fermi (CREF) στη Ρώμη, ο οποίος ήταν επικεφαλής της μελέτης. «Και στη συνέχεια θέσαμε ένα πολύ συγκεκριμένο ερώτημα: Τι συνεπάγεται αυτό για τον ίδιο τον χρόνο;»
Αυθόρμητη κατάρρευση
Κατά τη δεκαετία του 1980, οι ερευνητές άρχισαν να αναπτύσσουν κβαντικά μοντέλα στα οποία η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης συμβαίνει αυθόρμητα, ανεξάρτητα από την παρατήρηση ή τη μέτρηση. Σε αντίθεση με τις καθιερωμένες “ερμηνείες” της κβαντομηχανικής, οι οποίες τείνουν να είναι φιλοσοφικά πλαίσια που δεν μπορούν να διακριθούν πειραματικά, αυτά τα μοντέλα κατάρρευσης παράγουν συγκεκριμένες προβλέψεις που μπορούν, θεωρητικά, να ελεγχθούν στο εργαστήριο.
«Αυτό που κάναμε ήταν να πάρουμε στα σοβαρά την ιδέα ότι τα μοντέλα κατάρρευσης μπορεί να συνδέονται με τη βαρύτητα. Στη συνέχεια θέσαμε ένα πολύ συγκεκριμένο ερώτημα: Τι συνεπάγεται αυτό για τον ίδιο τον χρόνο;» λέει ο Nicola Bortolotti.
Για να διερευνήσουν αυτή την ιδέα, ο Bortolotti και οι συνάδελφοί του Catalina Curceanu, μέλος του FQxI και διευθύντρια ερευνών στα Εθνικά Εργαστήρια του Frascati του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής (INFN-LNF) στην Ιταλία, ο Kristian Piscicchia από το CREF και το INFN-LNF, ο Lajos Diósi από το Ερευνητικό Κέντρο Φυσικής Wigner και το Πανεπιστήμιο Eötvös Loránd στη Βουδαπέστη, και ο Simone Manti από το INFN-LNF, εξέτασαν δύο κορυφαία μοντέλα κατάρρευσης. Το ένα είναι το μοντέλο Diósi-Penrose (που πήρε το όνομά του από τα μέλη του FQxI, Lajos Diósi και Sir Roger Penrose), το οποίο προτείνει εδώ και καιρό μια σύνδεση μεταξύ της βαρύτητας και της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης.
Η ομάδα καθόρισε επίσης, για πρώτη φορά, μια ποσοτική σχέση μεταξύ ενός άλλου μοντέλου, της Συνεχούς Αυθόρμητης Εντοπιότητας (Continuous Spontaneous Localization), και των διακυμάνσεων στον βαρυτικό χωροχρόνο.
Η μελέτη δείχνει ότι, εάν αυτά τα μοντέλα κατάρρευσης περιγράφουν με ακρίβεια τη φύση, τότε ο ίδιος ο χρόνος θα έφερε μια ελάχιστη, εγγενή αβεβαιότητα. Αυτό θα εισήγαγε ένα θεμελιώδες όριο στην ακρίβεια με την οποία μπορεί να μετρηθεί ο χρόνος, αν και το φαινόμενο είναι εξαιρετικά μικρό.
«Μόλις κάνεις τον υπολογισμό, η απάντηση είναι σαφής και αναπάντεχα καθησυχαστική», δήλωσε ο Bortolotti. Είναι σημαντικό ότι αυτή η προβλεπόμενη αβεβαιότητα δεν έχει καμία επίδραση στην πρακτική μέτρηση του χρόνου. Ακόμη και τα πιο εξελιγμένα ατομικά ρολόγια, τώρα ή στο ορατό μέλλον, θα παρέμεναν ανεπηρέαστα.
«Η αβεβαιότητα είναι πολλές τάξεις μεγέθους κάτω από οτιδήποτε μπορούμε να μετρήσουμε σήμερα, επομένως δεν έχει πρακτικές συνέπειες για την καθημερινή χρονομέτρηση», λέει η Curceanu. «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ρητά ότι οι σύγχρονες τεχνολογίες χρονομέτρησης παραμένουν εντελώς ανεπηρέαστες», προσθέτει ο Piscicchia.
Συνδέοντας την κβαντική θεωρία και τη βαρύτητα
Εδώ και δεκαετίες, οι φυσικοί αναζητούν ένα ενιαίο πλαίσιο που θα μπορεί να συμφιλιώσει την κβαντομηχανική με τη βαρύτητα. Κάθε θεωρία είναι εξαιρετικά επιτυχημένη στον τομέα της. Η κβαντομηχανική διέπει τη συμπεριφορά των σωματιδίων στις μικρότερες κλίμακες, ενώ η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν περιγράφει τη βαρύτητα και τη δομή του σύμπαντος σε μεγάλη κλίμακα.
Ωστόσο, τα δύο αυτά πλαίσια αντιμετωπίζουν τον χρόνο με θεμελιωδώς διαφορετικούς τρόπους. «Στην καθιερωμένη κβαντομηχανική, ο χρόνος αντιμετωπίζεται ως μια εξωτερική, κλασική παράμετρος που δεν επηρεάζεται από το κβαντικό σύστημα που μελετάται», εξηγεί η Curceanu.
Αντίθετα, στη Γενική Σχετικότητα, ο χρόνος και ο χώρος είναι δυναμικά στοιχεία και μπορούν να καμπυλωθούν και να αλλάξουν ως απόκριση στη μάζα και την ενέργεια. «Η αβεβαιότητα είναι πολλές τάξεις μεγέθους κάτω από οτιδήποτε μπορούμε να μετρήσουμε επί του παρόντος, επομένως δεν έχει πρακτικές συνέπειες για την καθημερινή χρονομέτρηση», λέει η Catalina Curceanu.
Τα νέα αποτελέσματα βασίζονται στην ιδέα ότι η κβαντομηχανική μπορεί να αποτελεί μέρος μιας βαθύτερης και πιο ολοκληρωμένης θεωρίας. Αποκαλύπτοντας μια πιθανή σύνδεση μεταξύ των μοντέλων κατάρρευσης, της βαρύτητας και της συμπεριφοράς του χρόνου, η εργασία αυτή υποδεικνύει προηγουμένως κρυφές συνδέσεις μεταξύ αυτών των θεμελιωδών πτυχών της φυσικής.
Η Curceanu τόνισε επίσης τον ρόλο του FQxI στην υποστήριξη μη συμβατικών ερευνητικών κατευθύνσεων. «Δεν υπάρχουν πολλά ιδρύματα στον κόσμο που να υποστηρίζουν την έρευνα σε αυτούς τους τύπους θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με το σύμπαν, τον χώρο, τον χρόνο και την ύλη», λέει η Curceanu.
«Η δουλειά μας δείχνει ότι ακόμη και 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».
