Съвременната физика е обсебена от прецизността. Измерването на времето е

Съвременната физика е захласната от прецизността. Измерването на времето е област, в която човечеството е постигнало най-високи софтуерни достижения. Най-добрите атомни часовници, основани на оптични решетки (използващи стронциеви или итербиеви атоми), през днешния ден имат неточност от към 10-¹⁸. При такава непоклатимост насъбраната неточност за целия интервал от 13,8 милиарда години в космоса не би надвишила една секунда.

Инженерите и учените обаче не почиват на лаврите си. Те възнамеряват да основат нуклеарен часовник, който дава обещание още по-висока непоклатимост. Но тук идва въпросът: дали структурата на самата Вселена ни разрешава да измерваме времето безпределно тъкмо? Или съществува физическа преграда, неразгадаем звук, заложен в тъканта на действителността, който ще трансформира всяко премерване в безпорядък?

Ефектът на масата върху времето – нереална интерпретация

В ново проучване, оповестено в списание Physical Review Research, група европейски физици ревизират теоретично тази граница. Те проучиха по какъв начин различните тълкования на квантовата механика въздействат върху стабилността на потока на времето. Работата им свързва микроскопичното държание на материята с световната конструкция на пространство-времето и дава отговор на въпроса дали ще се сблъскаме със стена, когато сътворяваме часовниците на бъдещето.

Наблюдателят против действителността

Нека първо се обърнем към основите на квантовата механика. В нейната общоприета дефиниция съществува казусът за измерването. Докато една парченце не бъде измерена, тя се намира в суперпозиция – във всички вероятни положения по едно и също време. Процесът на премерване води до незабавно „ стесняване “ на тази суперпозиция в едно съответно положение.

Проблемът се състои в това, че общоприетата доктрина не изяснява по какъв начин или за какво се случва този колапс. За това е нужен външен наблюдаващ или инструмент. Това не устройва всички физици, защото поражда парадокси: съществувала ли е Вселената преди появяването на наблюдаващите?

Като решение са препоръчани модели на импровизиран колапс. Тези теории настояват, че колапсът се случва от единствено себе си, без присъединяване на наблюдаващ. Той е инцидентен, стохастичен развой. За един-единствен електрон вероятността за импровизиран колапс е пренебрежимо дребна (веднъж на стотици милиони години), само че за макроскопични обекти, състоящи се от милиарди атоми, колапсът е незабавен и непрекъснат. Ето за какво масите и столовете постоянно са на несъмнено място, а не са разпръснати в пространството.

Но за тази обективност би трябвало да се заплати избрана цена. Ако материята е непрекъснато подложена на инцидентни локализации, това значи, че разпределението на масата в пространството непрестанно се колебае. Масата се колебае.

Логическата верига: от масата към времето

Авторите на проучването – Никола Бортолоти, Каталина Курчану, Лайош Диоши и техните сътрудници – построяват мост сред тези квантови модели и Общата доктрина на относителността на Айнщайн. Логиката на техния разбор е следната:

Нестабилността на материята: в границите на теориите за импровизиран колапс (CSL и Dyoshi-Penrose) плътността на материята не е замразена големина. Стохастичното поле, което предизвика колапса на вълновата функционалност, провокира непрекъснати микроскопични вариации в плътността на масата. Гравитационната реакция: защото материята служи като източник на гравитация, всяка смяна в нейното систематизиране въздейства върху структурата на полето. След като плътността на масата стартира да се колебае, Нютоновият гравитационен капацитет в тази точка също губи непоклатимост. Връзка с времето: съгласно Общата доктрина на относителността гравитационният капацитет диктува скоростта на времето (ефектът на гравитационното забавяне). Следователно, в случай че капацитетът е подложен на квантови флуктуации, тогава ходът на времето в тази област престава да бъде постоянен и придобива стохастичен съставен елемент.

Това води до извода: в света, в който работят моделите на импровизиран колапс, идеалните часовници не могат да съществуват. Самото пространство-време генерира звук. Всеки хронометър ще записва тези изкривявания, приемайки ги за лична неточност.

Зависимост на силата на времевите флуктуации от съотношението сред радиуса на часовника и дължината на размиването

Анализите на двата модела

Изследователите изследваха двата съществени теоретични конструкта:

Моделът на Дьоши-Пенроуз (DP): тази идея постулира директната взаимозависимост на намаляването на вълновите пакети от гравитационните резултати. Основната догадка е, че положението на суперпозиция, включващо разнообразни конфигурации на разпределението на масата, е енергийно несигурно, което провокира импровизиран колапс на системата. Тук връзката с флуктуациите на времето е най-очевидна. Моделът на непрекъснатата спонтанна локализация (CSL): това е най-разработената опция на общоприетата квантова механика. Обикновено се счита, че CSL не е директно обвързван с гравитацията. Авторите на публикацията обаче демонстрираха, че в случай че операторът на колапса е плътността на масата (което е належащо, с цел да е в сходство с експериментите), то CSL неизбежно провокира пертурбации на гравитационното поле. Това е значим научен резултат: даже „ негравитационните “ модели на колапса въздействат на метриката на пространство-времето.

Резултатите от изчисленията: какъв брой огромен е шумът?

Основната цел на работата беше да се направи количествена оценка. Физиците пресметнаха насъбраната неточност във времето (Δt) за часовниците, работещи без спиране в продължение на една година. Те употребявали параметри на модели, които понастоящем се смятат за допустими (не са опровергани от други експерименти).

Резултатите са следните:

Моделът CSL пресмята приблизителна флуктуация на времето от 10-²⁸ секунди на годишен период. Моделът DP предвижда още по-ниско равнище на пертурбации, от порядъка на 10-³¹ секунди.

За да се направи справедлива оценка на величината на тези стойности, е належащо съпоставяне със настоящето равнище на технологиите. Най-съвременните оптични часовници през днешния ден имат относителна неустойчивост от порядъка на 10-¹⁸.

Следователно дистанцията сред калкулации квантов звук и чувствителността на действителните устройства е от 10 до 13 порядъка. Тази колосална разлика значи, че хипотетичните флуктуации на пространство-времето остават неразличими на фона на преобладаващия механически звук – топлинното придвижване на атомите или хардуерните неточности на лазерните системи.

Неопределеността на времето за идеалния часовник като функционалност на миналото време (до възрастта на Вселената). Оцветените области подхождат на областите, възможни от позиция на пробните данни

Значение за физиката и измервателната техника

Данните ни дават опция да създадем няколко основни извода, свързани както с фундаменталната физика, по този начин и с приложната метрология.

Зелена светлина за инженерите. Най-важният на практика извод е, че физиката не не разрешава основаването на по-точни часовници. Не се намираме в бездна, където естествените закони обезсмислят по-нататъшния прогрес. Преминаването от атомни към нуклеарни часовници, подобряването на стабилността на лазерите и усъвършенстването на йонните клопки – всичко това има смисъл. Човечеството към момента разполага с голям запас за софтуерен напредък: чувствителността на измервателните системи може да се усили с девет до 10 порядъка, преди резултатите да стартират да се въздействат от резултата на спонтанното понижаване на вълновата функционалност.

Проблемът за емпиричната инспекция. За физиците теоретици резултатът звучи друго. Ако изчисленията покажат, че шумът е на равнище 10-¹⁸ или 10-¹⁹ секунда, бихме могли да използваме атомен часовник, с цел да проверим основите на действителността. Липсата на следен звук би означавала провал на моделите за импровизиран колапс. Ефектът обаче е прекомерно слаб. Това значи, че прецизната хронометрия в близко бъдеще не може нито да удостовери, нито да отхвърли хипотезата за справедлив колапс. Ще бъде належащо да се търсят следи от този развой посредством други способи – да вземем за пример посредством наблюдаване на нагряването на макроскопични системи или нарушаване на суперпозицията в интерферометрите.

Ново схващане на връзката сред CSL и гравитацията. Теоретичната полезност на публикацията се състои в строгото доказателство, че моделът CSL има гравитационни последствия. Преди време това не беше явен факт. Авторите потвърдиха, че всяка доктрина, която постулира действителността на флуктуациите на плътността на масата, автоматизирано навлиза в територията на Общата доктрина на относителността.

Заключение

Работата на Бортолоти и сътрудниците му е образец за това по какъв начин актуалната физика ревизира своите граници „ на хартия “, преди да изразходва средства за опити. Изследването демонстрира, че пространство-времето в действителност може да се „ разклаща “ на микроскопично равнище, само че това разлюляване е толкоз тънко, че не въздейства на способността ни да се ориентираме във времето.

Живеем във Вселена, която разрешава съществуването на извънредно постоянни механизми. Времето, измервано от нашите принадлежности, остава равномерен и непрестанен параметър, макар турбулентния безпорядък, който може да се крие в квантовата му основа. Технологичната конкуренция за точност може да продължи: към момента не са открити фундаментални забрани от страна на квантовата механика.

(function() { const banners = [ // --- БАНЕР 1 (Facebook Messenger) --- `