Стало известно о теоретическом пределе точности любых часов

Время кажется нам самым надёжным и неизменным ориентиром, одинаково текущим для атомных часов и повседневной жизни. Однако на глубинном уровне физики эта уверенность может оказаться иллюзией. Новое международное исследование предполагает, что само время способно испытывать крошечные, принципиально неустранимые колебания. Об этом сообщается в журнале Physical Review Research(PRR).

Парадокс квантового мира и проблема измерения

Квантовая механика давно ставит физиков перед фундаментальным противоречием. С одной стороны, её уравнения допускают существование частиц сразу в нескольких состояниях или местах — в виде суперпозиции. С другой — макроскопический мир вокруг нас всегда выглядит определённым и устойчивым. Классическое объяснение этого разрыва основано на постулате коллапса волновой функции: в момент измерения квантовая система "выбирает" одно состояние.

Однако существует класс альтернативных теорий — модели спонтанного коллапса, — в которых этот процесс происходит самопроизвольно и непрерывно, без участия наблюдателя. Именно они стали предметом нового исследования, поддержанного Институтом фундаментальных вопросов (FQxI), дополняя современные попытки описать фундаментальные процессы, включая то, как астрофизики моделируют поведение чёрных дыр без классических упрощений.

Коллапс, гравитация и время

Работу возглавил Никола Бортолотти из Музея и исследовательского центра Энрико Ферми в Риме. Вместе с международной командой он задался вопросом, который ранее почти не рассматривался количественно: как такие модели могут влиять на саму природу времени.

"Мы всерьёз рассмотрели идею о том, что модели коллапса могут быть связаны с гравитацией. А затем задали очень конкретный вопрос: что это означает для самого времени?" — говорит аспирант Бортолотти.

Учёные сосредоточились на двух теориях — модели Диоши-Пенроуза и модели непрерывной спонтанной локализации (CSL). Обе они вводят в квантовую механику дополнительные математические члены, описывающие случайный коллапс волновой функции, и потому допускают экспериментальную проверку.

Флуктуации, которые невозможно заметить

Ключевой результат работы заключается в том, что такие модели неизбежно приводят к микроскопическим флуктуациям времени. Иначе говоря, время перестаёт быть идеально гладким параметром и приобретает фундаментальную неопределённость. Это накладывает теоретический предел на точность любых часов, какими бы совершенными они ни были.

Масштаб эффекта, впрочем, оказался чрезвычайно малым. Предсказанные колебания времени лежат далеко за пределами чувствительности современных и даже перспективных измерительных технологий.

"Неопределённость на много порядков ниже всего, что мы можем измерить в настоящее время, поэтому она не имеет практических последствий", — подчёркивает директор по исследованиям INFN-LNF Каталина Курчану.

Мост между квантовой механикой и относительностью

Помимо метрологии времени, работа затрагивает одну из главных нерешённых задач физики — объединение квантовой механики и общей теории относительности. В квантовой теории время выступает фиксированным фоном, тогда как у Эйнштейна оно динамично и связано с гравитацией. Исследование показывает, что модификации квантовых уравнений могут естественным образом приводить к "гравитационному" поведению времени — на уровне идей, перекликающихся с тем, как в ранней Вселенной формировались необычные объекты, выходящие за рамки стандартных моделей.

"В общей теории относительности время и пространство податливы, изменяются и искривляются под влиянием массы и энергии", — отмечает Каталина Курчану.

В итоге работа одновременно расширяет горизонты фундаментальной физики и подтверждает устойчивость её практических основ. Даже если время на самом глубоком уровне слегка колеблется, для науки и технологий оно остаётся одним из самых надёжных ориентиров.