Fyzici sa opäť pozreli na jednu z najväčších zvláštností kvantovej mechaniky: prečo sa svet malých častíc správa ako rozmazaná škála možností, zatiaľ čo náš každodenný svet pôsobí pevne, určito a predvídateľne. Nová teoretická práca naznačuje, že odpoveď by mohla mať nečakaný dôsledok aj pre samotný čas. Nie v zmysle, že by sa začali kaziť hodiny alebo by GPS systémy zrazu stratili presnosť, ale v oveľa hlbšom fyzikálnom zmysle: čas by nemusel byť dokonale presná veličina.
Výskum podporený Foundational Questions Institute, FQxI, skúmal takzvané kolapsové modely kvantovej mechaniky. Ide o alternatívne vysvetlenia toho, ako sa kvantové možnosti menia na jeden konkrétny výsledok. Autori práce ukazujú, že ak by boli tieto modely správne, mohli by viesť k extrémne jemným fluktuáciám času. Tie sú síce ďaleko za hranicou dnešného merania, no zároveň môžu ponúkať stopu k prepojeniu kvantovej fyziky s gravitáciou.
Problém, ktorý kvantová fyzika stále úplne nevyriešila
Kvantová mechanika opisuje správanie častíc na mikroskopických škálach. V tomto svete sa častice nemusia nachádzať len v jednom konkrétnom stave. Môžu byť v superpozícii, teda v kombinácii viacerých možností naraz. Tento stav fyzici opisujú pomocou vlnovej funkcie.
Problém nastáva v momente, keď sa pýtame, ako sa z tejto rozmazanej škály možností stane jedna konkrétna realita. Pri meraní totiž nevidíme všetky možnosti naraz. Vidíme jeden výsledok. Častica je na jednom mieste, merací prístroj ukáže jednu hodnotu a svet okolo nás sa nespráva ako kvantová hmla.
Tradičný výklad hovorí o kolapse vlnovej funkcie pri meraní. Lenže čo presne meranie znamená? Potrebuje vesmír pozorovateľa? Alebo existuje fyzikálny proces, ktorý spôsobí, že sa kvantový systém sám preklopí do jedného konkrétneho stavu?
Práve tu prichádzajú na rad kolapsové modely.
Kolaps bez pozorovateľa
Kolapsové modely vznikali už v 80. rokoch ako pokus vysvetliť, že kolaps vlnovej funkcie nemusí byť len výsledkom pozorovania. Podľa týchto predstáv môže prebiehať spontánne, teda ako prirodzený fyzikálny proces.
To je dôležitý rozdiel. Mnohé interpretácie kvantovej mechaniky ponúkajú rôzne pohľady na rovnaké rovnice, no často neprinášajú odlišné experimentálne predpovede. Kolapsové modely sú zaujímavé tým, že by sa teoreticky dali testovať. Ak by sa ich predpovede líšili od štandardnej kvantovej mechaniky, fyzici by mohli hľadať merateľný rozdiel.
Tím vedený Nicolom Bortolottim z Enrico Fermi Museum and Research Centre v Ríme sa pozrel na dva významné prístupy. Prvým je Diósi-Penrose model, ktorý dlhodobo spája kolaps vlnovej funkcie s gravitáciou. Druhým je model Continuous Spontaneous Localization, teda kontinuálna spontánna lokalizácia.
Vedci sa pýtali jednoduchú, ale hlbokú otázku: ak môže byť kolaps kvantového systému prepojený s gravitáciou, čo to znamená pre čas?
Čas ako veličina s vlastnou neistotou
V štandardnej kvantovej mechanike sa čas väčšinou berie ako vonkajší parameter. Je to akési pozadie, podľa ktorého sa systém vyvíja. Čas tam plynie, ale samotný kvantový systém ho nemení.
Všeobecná relativita sa na čas pozerá inak. Podľa Einsteina čas nie je pevné univerzálne pozadie. Je súčasťou časopriestoru a môže sa meniť pod vplyvom hmoty a energie. Silná gravitácia dokáže čas spomaliť, čo nie je len teória, ale reálne merateľný efekt.
Nová práca sa pohybuje práve na tomto napätom pomedzí. Ak je kolaps vlnovej funkcie nejako spojený s gravitáciou, potom by sa do hry mohol dostať aj časopriestor. A ak má časopriestor drobné fluktuácie, môže ich mať aj samotné meranie času.
Výsledok je pozoruhodný. Podľa výpočtov by kolapsové modely mohli znamenať, že čas nie je nekonečne presne definovateľný. Existovala by určitá základná neistota, hranica, pod ktorú sa už žiadne hodiny nemôžu dostať.
Nie preto, že by boli zle vyrobené. Nie preto, že by im chýbala technológia. Ale preto, že presnejší čas by už samotná fyzika nemusela dovoliť.
Pre bežné hodiny sa nič nemení
Autori zdôrazňujú, že nejde o efekt, ktorý by mal praktické dôsledky pre dnešné technológie. Táto neistota je podľa nich mnoho rádov pod tým, čo dokážeme zachytiť aj najpresnejšími atómovými hodinami.
To znamená, že mobily, počítače, satelitná navigácia, finančné systémy ani vedecké merania času tým nie sú ohrozené. Nejde o „chybu v čase“ v bežnom zmysle slova. Skôr o možný fyzikálny limit, ktorý by sa prejavil až na úrovni extrémne presných teoretických úvah.
Práve preto je dôležité nečítať túto prácu ako senzáciu o tom, že fyzici objavili poruchu času. Presnejšie je povedať, že našli možnú hranicu jeho merateľnosti v rámci konkrétnych kvantových modelov.
Stopa k spojeniu kvantovej fyziky a gravitácie
Najzaujímavejšia časť výskumu neleží v praktickom meraní času, ale v otázke, či môže pomôcť pri hľadaní teórie, ktorá spojí kvantovú mechaniku a gravitáciu.
Tieto dve oblasti fyziky patria medzi najúspešnejšie vedecké teórie, no zároveň sa spolu ťažko zosúlaďujú. Kvantová mechanika výborne opisuje častice a mikroskopický svet. Všeobecná relativita výborne opisuje gravitáciu, hviezdy, galaxie a vývoj vesmíru. Lenže keď sa fyzici pokúšajú opísať situácie, kde sú dôležité obe naraz, napríklad v okolí čiernych dier alebo pri vzniku vesmíru, narazia na hlboký problém.
Čas je jedným z dôvodov. V kvantovej mechanike hrá inú úlohu ako v relativite. Ak by sa ukázalo, že kvantový kolaps a gravitácia spolu nejako súvisia, mohlo by to byť malé okno do hlbšej teórie, ktorú zatiaľ nepoznáme.
Nová štúdia preto nehovorí, že máme hotovú odpoveď. Skôr ukazuje, že aj veľmi abstraktné myšlienky o kvantovej realite môžu viesť ku konkrétnym fyzikálnym predpovediam. A práve to je pre vedu dôležité. Hypotéza, ktorú možno aspoň v princípe testovať, je viac než len filozofická úvaha.
Čas zostáva stabilný, ale možno nie absolútny
Výsledok tak znie trochu paradoxne. Na jednej strane štúdia upokojuje, že naše meranie času je bezpečné a moderné hodiny fungujú bez akéhokoľvek praktického problému. Na druhej strane naznačuje, že pri pohľade dostatočne hlboko nemusí byť čas taký dokonale hladký a presný, ako si ho bežne predstavujeme.
Ak sú kolapsové modely správnym smerom, čas môže mať jemné kvantovo-gravitačné chvenie. Niečo také malé, že sa to stráca pod úrovňou všetkých súčasných meraní, no zároveň dosť zaujímavé na to, aby to fyzikom ponúklo nový spôsob, ako premýšľať o základoch reality.
Nie je to objav pokazenej časomiery. Je to skôr náznak, že aj čas môže mať svoje fyzikálne zrno. A v tomto zrne sa možno ukrýva časť odpovede na otázku, ako spojiť kvantový svet s gravitáciou.
Zdroj: www.eurekalert.org kvantová mechanika kolapsové modely gravitácia čas Diósi-Penrose model Continuous Spontaneous Localization Foundational Questions Institute FQxI
Komentáre