Одним из свойств квантовой механики является суперпозиция, которая объясняет, как система может находиться в нескольких состояниях одновременно до момента наблюдения или измерения.
Теоретическое исследование предполагает, что это явление влияет на высокоточные часы.
Команда из Дартмутского колледжа, колледжа Святого Ансельма и Университета Санта-Клары провела исследование суперпозиции и того, как она создает поправку в атомных часах, называемую «квантовым замедлением времени». Их исследование, опубликованное в журнале Nature Communications в пятницу, 23 октября, могло бы согласовать предсказания Альберта Эйнштейна из теории относительности с новыми квантовыми эффектами, выходящими за рамки его теории о свойствах времени.
«Всякий раз, когда мы разрабатываем более совершенные часы, мы узнаем что-то новое о мире», — поделился Александр Смит, который руководил исследованием в качестве младшего научного сотрудника Дартмутского общества стипендиатов. Смит также работает адъюнкт-профессором в Дартмуте, а также доцентом физики в колледже Святого Ансельма. Он объясняет квантовое замедление времени как следствие теории относительности Эйнштейна и квантовой механики, предлагая уникальную возможность изучить физику на пересечении этих двух «физик».
Альберт Эйнштейн, возможно, наиболее известен своей « теорией относительности », которая на самом деле представляет собой комбинацию двух взаимосвязанных теорий — специальной и общей . Эти теории в значительной степени произвели революцию в классической физике и теории механики, наиболее определяемой работами Исаака Ньютона. В число его основных положений входит пространство-время как сущность, состоящая из времени и пространства. Один из его экспериментов проиллюстрировал замедление времени — время часов зависит от скорости их движения, что делает его относительным. По мере того, как он движется быстрее, скорость его тиканья начинает уменьшаться. Это во многом отличается от линейной и абсолютной природы времени, предложенной Ньютоном.
С другой стороны, квантовая механика пытается охарактеризовать поведение материи и энергии на атомных и субатомных уровнях. Он пытается объяснить явления, которые либо не охвачены, либо прямо противоположны предсказаниям классической физики. В то время как относительность остается в основном классической, главным образом потому, что она поддерживает причинно-следственные связи — или отношения между причиной и следствием, — квантовая механика этого не делает. В контексте квантовой механики часы могут двигаться так, как если бы они одновременно двигались с двумя разными скоростями или в суперпозиции.
Чтобы прийти к квантовой теории замедления времени, исследователи объединили современные методы, полученные из работ в области квантовой информатики, с работой 1980-х годов, предложив, как время может быть охарактеризовано квантовой теорией гравитации.
«Физики десятилетиями пытались учесть динамическую природу времени в квантовой теории», — пояснил Мехди Ахмади, соавтор исследования и преподаватель Университета Санта-Клары. В своей работе они предсказали возможные поправки к релятивистскому замедлению времени, исходя из того факта, что часы, используемые для наблюдения за этим поведением, находятся в контексте квантовой механики.
Часы, на которые они ссылаются в своей модели, не работают с механическими частями или генераторами, используемыми в обычных устройствах хронометража. Если атом демонстрирует суперпозицию, двигаясь одновременно с разными скоростями, его время жизни будет изменяться — увеличиваться или уменьшаться — в зависимости от природы наложенной системы относительно эталонного атома с определенной скоростью.