Физики обнаружили крошечную неопределённость в самом времени

Квантовая механика всегда бросала вызов нашему повседневному пониманию реальности. В квантовом мире частицы могут находиться в суперпозиции состояний, то есть занимать несколько возможных положений или конфигураций одновременно. Физики описывают эти возможности математически с помощью волновой функции.

Эта картина сильно отличается от обычной жизни, где объект находится в одном месте и в одном состоянии в каждый момент времени. Чтобы устранить этот разрыв, стандартная квантовая механика утверждает, что при измерении или наблюдении квантовой системы её волновая функция коллапсирует в единственный определённый результат.

Теперь, при поддержке Института фундаментальных вопросов (FQxI), международная команда физиков исследовала более радикальную возможность. Их работа показывает, что некоторые альтернативы стандартной квантовой механике, известные как модели квантового коллапса, могут иметь неожиданные последствия для природы самого времени и для предельной точности часов.

Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Research, также указывают на возможный новый способ проверки этих неортодоксальных теорий на фоне стандартной квантовой механики.

«Мы серьёзно отнеслись к идее, что модели коллапса могут быть связаны с гравитацией, — говорит Никола Бортолотти, аспирант Музея и исследовательского центра Энрико Ферми (CREF) в Риме, возглавивший исследование. — А затем задали очень конкретный вопрос: что это означает для самого времени?»

Начиная с 1980-х годов физики разрабатывали модели, в которых коллапс волновой функции не требует измерительного устройства или наблюдателя. Вместо этого коллапс может происходить спонтанно.

Это отличает данные идеи от многих интерпретаций квантовой механики. Интерпретации в основном предлагают различные концептуальные объяснения того, что означает квантовая теория, но обычно дают те же экспериментальные предсказания, что и стандартная квантовая механика. Модели квантового коллапса идут дальше, поскольку предсказывают физические эффекты, которые, по крайней мере в принципе, можно измерить.

Бортолотти и его коллеги рассмотрели две различные модели коллапса. В команду вошли Каталина Курчану, член FQxI и директор по исследованиям Национальной лаборатории Фраскати Национального института ядерной физики (INFN-LNF) в Италии, Кристиан Пишиккья из CREF и INFN-LNF, Лайош Диоши из Исследовательского центра физики Вигнера и Университета имени Лоранда Этвёша в Будапеште, а также Симоне Манти из INFN-LNF.

Одной из моделей была модель Диоши — Пенроуза (названная в честь членов FQxI Лайоша Диоши и сэра Роджера Пенроуза). Она давно предполагает, что гравитация может играть роль в вынуждении квантовых систем коллапсировать в определённые состояния.

Исследователи также изучили второй подход под названием «непрерывная спонтанная локализация». Впервые они установили количественную связь между этой моделью и гравитационными флуктуациями пространства-времени.

Расчёты привели к поразительному выводу. Если эти модели коллапса верны, то само время должно содержать очень малую собственную неопределённость.

Иными словами, может существовать фундаментальный предел того, насколько точно время вообще можно измерить. Это не означает, что часы внезапно станут ненадёжными. Предсказанный эффект чрезвычайно мал.

«Как только вы производите расчёт, ответ становится ясным и на удивление успокаивающим», — сказал Бортолотти.

Даже самые совершенные атомные часы, работающие сегодня, или те, что ожидаются в обозримом будущем, не будут достаточно точными, чтобы заметить этот эффект.

«Неопределённость на много порядков ниже всего, что мы можем измерить в настоящее время, так что она не имеет практических последствий для повседневного измерения времени, — говорит Курчану. — Наши результаты явно показывают, что современные технологии измерения времени полностью не затронуты», — добавляет Пишиккья.

Работа затрагивает одну из крупнейших нерешённых проблем современной физики: как примирить квантовую механику с гравитацией.

Квантовая механика чрезвычайно успешно описывает атомы, частицы и другие микроскопические системы. Общая теория относительности Эйнштейна, в свою очередь, описывает гравитацию и поведение пространства и времени в гораздо больших масштабах, включая планеты, звёзды, галактики и даже саму Вселенную.

Обе теории прекрасно согласуются с экспериментами в тех областях, где применяются. Проблема в том, что они трактуют время принципиально по-разному.

«В стандартной квантовой механике время рассматривается как внешний классический параметр, на который не влияет изучаемая квантовая система», — объясняет Курчану.

Общая теория относительности придерживается совершенно иного взгляда. Пространство и время являются частью гибкой структуры, называемой пространством-временем, которое может искривляться и изменяться под воздействием массы и энергии.

Из-за этого несоответствия физики десятилетиями ищут более глубокую теорию, способную объединить квантовую механику и гравитацию. Новые результаты позволяют предположить, что модели коллапса могут содержать подсказки о том, как квантовая физика, гравитация и время в конечном счёте могут быть объединены.

Они также дают более практическую выгоду. Поскольку модели коллапса предсказывают измеримые эффекты, отличающиеся от стандартной квантовой механики, чрезвычайно точные эксперименты в конечном счёте могли бы помочь определить, описывают ли эти идеи что-то реальное в природе.

Курчану подчеркнула важность поддержки исследований неортодоксальных вопросов в основаниях физики.

«В мире не так много фондов, поддерживающих исследования такого рода фундаментальных вопросов о Вселенной, пространстве, времени и материи, — говорит Курчану. — Наша работа показывает, что даже радикальные идеи о квантовой механике можно проверять с помощью точных физических измерений, и что, что успокаивает, измерение времени остаётся одной из самых стабильных опор современной физики».

Эта работа была частично поддержана программой FQxI «Сознание в физическом мире».

Источники:

Материалы предоставлены Институтом фундаментальных вопросов, FQxI.

Nicola Bortolotti, Catalina Curceanu, Lajos Diósi, Simone Manti, Kristian Piscicchia. Fundamental limits on clock precision from spacetime uncertainty in quantum collapse models. Physical Review Research, 2025; 7 (4) DOI: 10.1103/p6tj-lg8l