Группа физиков из Технологического института Стивенса совместно со специалистами из Национального института стандартов и технологий США и Университета штата Колорадо предложила экспериментальный метод проверки квантовой природы времени. Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review Letters, описывает возможность наблюдения времени в состоянии суперпозиции, когда оно течет одновременно с разной скоростью. Согласно положениям общей теории относительности Альберта Эйнштейна, время не является универсальной константой и меняется в зависимости от гравитации и скорости движения объекта. Этот эффект неоднократно подтверждался экспериментально, в том числе с помощью сверхточных атомных часов, однако при попытке объединить теорию относительности с квантовой механикой возникает теоретическая аномалия: квантовая природа материи допускает нахождение системы в нескольких состояниях одновременно.
Авторы новой работы полагают, что современные оптические часы на базе ионов иттербия или алюминия достигли точности, необходимой для фиксации квантовых флуктуаций времени. В таких устройствах одиночные ионы охлаждаются лазерами до температур, близких к абсолютному нулю. Ученые установили, что даже в состоянии покоя при минимально возможной температуре на ход времени будут влиять квантовые колебания, которые можно измерить. Для усиления эффекта физики предложили использовать так называемые сжатые состояния вакуума, которые позволяют манипулировать неопределенностью положения и скорости частиц. В таких условиях одни и те же часы могут формально находиться в состоянии суперпозиции, отсчитывая время быстрее и медленнее в один и тот же момент.
Как отмечает руководитель исследования Игорь Пиковский, объединение концепций квантовой физики и теории относительности позволяет обнаружить скрытые сигнатуры течения времени, которые невозможно описать классическими методами. Разработанная методика опирается на технологии, которые уже применяются при создании квантовых компьютеров и систем атомного хронометража следующего поколения. В США уже проводились эксперименты с ионными часами, фиксировавшими разницу в ходе времени при перемещении прибора на небольшое расстояние или незначительном изменении его скорости. Новый подход предполагает переход на суббатомный уровень, где течение времени начинает проявлять свойства квантового объекта.
Ученые рассчитывают приступить к экспериментальной проверке предложенной модели в ближайшее время. По словам Кристиана Заннера из Университета штата Колорадо, текущий уровень развития технологий позволяет создать необходимые условия для генерации сжатых состояний и достижения требуемой точности измерений. В перспективе подобные исследования могут помочь в решении фундаментальных загадок физики, включая поиск гипотетического гравитона – частицы, предположительно переносящей гравитационное взаимодействие, – и понимание природы гравитации на квантовом уровне.
