Ο χρόνος μπορεί να κυλά γρήγορα και αργά ταυτόχρονα!

Σύνοψη

• Επιστήμονες από το Stevens Institute of Technology, σε συνεργασία με το NIST και το Colorado State University, απέδειξαν θεωρητικά ότι ο χρόνος μπορεί να υφίσταται σε κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης.
• Η επαλήθευση αυτού του φαινομένου είναι πλέον εφικτή μέσω υπερ-ευαίσθητων οπτικών ατομικών ρολογιών που αξιοποιούν παγιδευμένα μεμονωμένα ιόντα.
• Μέσω της δημιουργίας «συμπιεσμένων καταστάσεων» στο κενό, καταγράφεται το κβαντικό ισοδύναμο του παραδόξου των διδύμων, όπου ένα σύστημα καταγράφει ταυτόχρονα ταχύτερη και βραδύτερη ροή χρόνου.
• Η μέθοδος ενώνει τη Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν με την Κβαντομηχανική, παρέχοντας νέα δεδομένα για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς κβαντικών υπολογιστών και συστημάτων πλοήγησης.

Η φύση του χρόνου αποτελεί ένα από τα πλέον θεμελιώδη και σύνθετα ζητήματα της σύγχρονης φυσικής, με τους επιστήμονες να αναζητούν διαρκώς τη μαθηματική και πρακτική γέφυρα μεταξύ των δύο επικρατέστερων μοντέλων του Σύμπαντος. Στη Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο χρόνος αντιμετωπίζεται ως δυναμικό, σχετικό μέγεθος, η ροή του οποίου αλλοιώνεται άμεσα από την ταχύτητα και το βαρυτικό πεδίο. Στον αντίποδα, η κβαντομηχανική παραδοσιακά θεωρεί τον χρόνο ως μια ανεξάρτητη, κλασική παράμετρο υποβάθρου που δεν επηρεάζεται από την κατάσταση του συστήματος. Η ενοποίηση αυτών των προσεγγίσεων απαιτεί πειράματα ακραίας ακρίβειας, τα οποία μέχρι πρότινος θεωρούνταν τεχνολογικά ανέφικτα. Τώρα, μια νέα έρευνα ανοίγει το δρόμο για την παρατήρηση κβαντικών ιδιοτήτων στην ίδια τη ροή του χρόνου.

Τι είναι η Κβαντική Υπέρθεση της ροής του Χρόνου;

Σύμφωνα με τη νέα μελέτη, ο χρόνος μπορεί να υφίσταται σε κβαντική υπέρθεση, κυλώντας ταυτόχρονα πιο γρήγορα και πιο αργά. Η έρευνα γεφυρώνει τη σχετικότητα με την κβαντομηχανική, επιτρέποντας θεωρητικά σε ένα μεμονωμένο ρολόι να καταγράφει πολλαπλές, ταυτόχρονες χρονικές ροές.

Η ερευνητική ομάδα προχώρησε στη διερεύνηση των κβαντικών πτυχών της ροής του χρόνου και η εργασία τους καταδεικνύει ότι η τεχνολογία πίσω από την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρατηρήσουμε κάτι πολύ βαθύτερο: όταν η κίνηση ενός ρολογιού υπακούει στους κανόνες της κβαντομηχανικής, η κίνηση του μπορεί να βρεθεί σε υπέρθεση, και μαζί με αυτήν, σε υπέρθεση βρίσκεται και η καταγεγραμμένη πάροδος του χρόνου. Πρόκειται για την εφαρμογή του νοητικού πειράματος της γάτας του Σρέντινγκερ, αλλά αυτή τη φορά, εφαρμοσμένη απευθείας στον άξονα του χρόνου. Το σύστημα είναι ουσιαστικά “νεότερο” και “γηραιότερο” την ίδια ακριβώς στιγμή.

Πώς λειτουργούν τα οπτικά ατομικά ρολόγια ιόντων;

Τα υπερ-ακριβή οπτικά ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούν παγιδευμένα μεμονωμένα ιόντα, όπως αλουμίνιο ή υτέρβιο, τα οποία ψύχονται εξαιρετικά κοντά στο απόλυτο μηδέν. Μέσω εξειδικευμένων παλμών λέιζερ, οι φυσικοί χειραγωγούν τις κβαντικές τους καταστάσεις, επιτυγχάνοντας πρωτοφανή ευαισθησία ικανή να καταγράψει απειροελάχιστες αλλοιώσεις στον χρόνο, προερχόμενες αποκλειστικά από κβαντικές διακυμάνσεις.

Στην κλασική σχετικότητα, κάθε ρολόι βιώνει τη δική του ροή ιδιοχρόνου. Για παράδειγμα, ένα ρολόι που κινείται με 10 μέτρα ανά δευτερόλεπτο για 57 εκατομμύρια χρόνια, θα μείνει πίσω μόλις ένα δευτερόλεπτο σε σύγκριση με ένα ακίνητο ρολόι. Αυτό το κλασικό φαινόμενο επιβεβαιώνεται ήδη με ακρίβεια από τα υπάρχοντα ρολόγια ιόντων αλουμινίου στο NIST, μέσω της μέτρησης της μετατόπισης Ντόπλερ δεύτερης τάξης. Η πρόκληση είναι ο εντοπισμός αποκλίσεων όταν στο σύστημα εισάγεται η κβαντική δυναμική. Ο χαμιλτονιανός φορμαλισμός που εφαρμόστηκε από τους ερευνητές αναλύει το πώς η ίδια η μάζα του συστήματος αλληλεπιδρά με τον χρόνο μέσω της ενέργειας, δημιουργώντας κβαντικές διορθώσεις στη χρονική διάσταση.

Ο Gabriel Sorci, υποψήφιος διδάκτορας στο Stevens Institute και συν-συγγραφέας της μελέτης, εξηγεί ότι τα σύγχρονα ατομικά ρολόγια είναι πλέον τόσο ευαίσθητα που μπορούν να ανιχνεύσουν ελάχιστες χρονικές διαφορές προκαλούμενες απλώς από θερμικές δονήσεις σε απειροελάχιστες θερμοκρασίες. Ακόμη και στο απόλυτο μηδέν, στη βασική τους κατάσταση, ο ρυθμός καταγραφής του χρόνου θα εξακολουθεί να επηρεάζεται αποκλειστικά από τις κβαντικές διακυμάνσεις του κενού.

Το κβαντικό παράδοξο των διδύμων και οι συμπιεσμένες καταστάσεις

Το αποκαλούμενο κβαντικό παράδοξο των διδύμων περιγράφει πώς ένα ενιαίο σύστημα μπορεί να βιώσει ταυτόχρονα δύο διαφορετικούς χρόνους. Η μέθοδος εντοπισμού βασίζεται στη δημιουργία «συμπιεσμένων καταστάσεων» του κενού, όπου η θέση και η ταχύτητα του ιόντος εμφανίζουν κβαντική διεμπλοκή με την ίδια τη χρονική εξέλιξη του συστήματος.

Η επιστημονική ομάδα προχώρησε πέρα από την απλή ψύξη των ατόμων και απέδειξε ότι η χειραγώγηση του κενού, παράγωντας αυτές τις συμπιεσμένες καταστάσεις, ενισχύει τη λεπτή κβαντική συμπεριφορά του ρολογιού. Το αποτέλεσμα είναι μια εντελώς νέα εκδήλωση του σχετικιστικού χρόνου στο κβαντικό πεδίο: προκύπτει υπέρθεση και διεμπλοκή του χρόνου, επιτρέποντας στο οπτικό σύστημα να καταγράφει πολλαπλές χρονικές μεταβλητές που τέμνονται, συγχρονίζονται και διαχωρίζονται συνεχώς. Ο Christian Sanner σημειώνει πως η τεχνολογία παραγωγής της απαιτούμενης «συμπίεσης» υπάρχει ήδη, και ο δρόμος για την επίτευξη της αναγκαίας ακρίβειας στα ρολόγια ιόντων για την πρώτη εργαστηριακή παρατήρηση είναι ανοιχτός.

Με τη ματιά του Techgear

Αν απομακρυνθούμε από τη θεωρητική φυσική και αναλύσουμε τα δεδομένα υπό το πρίσμα της εφαρμοσμένης τεχνολογίας, η ικανότητα μεμονωμένων ιόντων να μετρούν υπερθέσεις χρόνου μεταβάλλει άρδην τη θεώρησή μας για το hardware του μέλλοντος.

Όταν τα ατομικά ρολόγια περάσουν σε αυτό το επίπεδο κβαντικής ευαισθησίας, η ακρίβεια του γεωεντοπισμού (GPS) δεν θα μετριέται πλέον σε μέτρα, αλλά σε χιλιοστά, καθιστώντας τα δίκτυα συγχρονισμού δεδομένων απόλυτα άτρωτα σε κλασικές καθυστερήσεις μεταφοράς πακέτων. Παράλληλα, τα συστήματα αυτά θα αποτελέσουν τον βασικό κορμό για τους ανιχνευτές κβαντικών υπολογιστών επόμενης γενιάς, λύνοντας το πρόβλημα της αποσυνοχής (decoherence) που μαστίζει τα τωρινά συστήματα. Η επιβεβαίωση της θεωρίας του Pikovski μετατρέπει τα θεωρητικά κβαντικά μοντέλα σε αυστηρά μηχανικά εργαλεία μέτρησης, και η μετάβαση αυτή θα αποτελέσει το βασικότερο τεχνολογικό πλεονέκτημα για όποια βιομηχανία προλάβει να την αξιοποιήσει πρώτη σε εμπορικά συστήματα.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!