Η κβαντική μηχανική είναι γνωστή για τις παράξενες και συχνά αντιδιαισθητικές της ιδέες. Σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες, τα σωματίδια δεν συμπεριφέρονται όπως τα καθημερινά αντικείμενα· μπορούν να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις ταυτόχρονα, φαινόμενο γνωστό ως υπέρθεση. Οι φυσικοί περιγράφουν αυτή τη συμπεριφορά μέσω μιας μαθηματικής συνάρτησης, του λεγόμενου κυματοσυνάρτησης. Ωστόσο, αυτή η εικόνα έρχεται σε αντίθεση με ό,τι παρατηρούμε καθημερινά, όπου τα αντικείμενα έχουν μια σαφή θέση ή κατάσταση. Για να εξηγηθεί αυτό, οι επιστήμονες θεωρούν ότι όταν ένα κβαντικό σύστημα μετράται ή αλληλεπιδρά με έναν παρατηρητή, η κυματοσυνάρτηση «καταρρέει» σε ένα μόνο αποτέλεσμα.

Με τη στήριξη του Ιδρύματος Θεμελιωδών Ερωτημάτων (FQxI), μια διεθνής ομάδα φυσικών ανέλυσε εκ νέου τις λεγόμενες θεωρίες «κβαντικής κατάρρευσης». Τα ευρήματά τους δείχνουν ότι αυτές οι προσεγγίσεις θα μπορούσαν να έχουν απροσδόκητες συνέπειες για τη φύση του χρόνου, θέτοντας θεωρητικά όρια στην ακρίβεια με την οποία μπορεί να μετρηθεί. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Research, προτείνει επίσης έναν τρόπο δοκιμής αυτών των μοντέλων σε σύγκριση με την καθιερωμένη κβαντική θεωρία.

«Αντιμετωπίσαμε σοβαρά την ιδέα ότι τα μοντέλα κατάρρευσης μπορεί να συνδέονται με τη βαρύτητα», εξηγεί ο Nicola Bortolotti, υποψήφιος διδάκτορας στο Enrico Fermi Museum and Research Centre (CREF) στη Ρώμη, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. «Και στη συνέχεια θέσαμε ένα πολύ συγκεκριμένο ερώτημα: Τι σημαίνει αυτό για τον ίδιο τον χρόνο;»

Αυθόρμητη κατάρρευση και δοκιμάσιμα κβαντικά μοντέλα

Από τη δεκαετία του 1980, ερευνητές ανέπτυξαν θεωρίες σύμφωνα με τις οποίες η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης συμβαίνει αυθόρμητα, χωρίς να απαιτείται παρατήρηση ή μέτρηση. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής, που αποτελούν διαφορετικούς τρόπους κατανόησης των ίδιων εξισώσεων, αυτά τα μοντέλα κάνουν προβλέψεις που μπορούν, θεωρητικά, να ελεγχθούν πειραματικά.

Ο Bortolotti και οι συνεργάτες του —Catalina Curceanu, Kristian Piscicchia, Lajos Diósi και Simone Manti— εξέτασαν δύο βασικές εκδοχές αυτών των θεωριών. Το ένα είναι το μοντέλο Diósi-Penrose, που συνδέει τη βαρύτητα με την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Το άλλο είναι το μοντέλο Continuous Spontaneous Localization. Στη νέα τους εργασία, οι ερευνητές διατύπωσαν μια ποσοτική σχέση ανάμεσα σε αυτό το δεύτερο μοντέλο και τις διακυμάνσεις του χωροχρόνου που προκαλεί η βαρύτητα.

Μικροσκοπική αβεβαιότητα χρόνου και όρια ακρίβειας των ρολογιών

Η ανάλυσή τους δείχνει ότι, αν αυτά τα μοντέλα περιγράφουν σωστά την πραγματικότητα, τότε ο χρόνος δεν μπορεί να είναι απόλυτα ακριβής. Θα περιλαμβάνει ένα ελάχιστο επίπεδο εγγενούς αβεβαιότητας, θέτοντας έτσι ένα θεμελιώδες όριο στην ακρίβεια κάθε ρολογιού.

«Όταν κάνεις τον υπολογισμό, η απάντηση είναι ξεκάθαρη και, με έναν τρόπο, καθησυχαστική», σημειώνει ο Bortolotti.

Το φαινόμενο αυτό είναι τόσο μικρό που δεν επηρεάζει καμία σημερινή τεχνολογία. Ακόμη και τα πιο προηγμένα ατομικά ρολόγια δεν μπορούν να το ανιχνεύσουν. «Η αβεβαιότητα είναι πολλές τάξεις μεγέθους κάτω από οτιδήποτε μπορούμε να μετρήσουμε σήμερα, επομένως δεν έχει πρακτικές συνέπειες για την καθημερινή μέτρηση του χρόνου», αναφέρει η Curceanu. «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ρητά ότι οι σύγχρονες τεχνολογίες χρονομέτρησης παραμένουν απολύτως ανεπηρέαστες», προσθέτει ο Piscicchia.

Κβαντική μηχανική, βαρύτητα και η φύση του χρόνου

Εδώ και δεκαετίες, οι φυσικοί προσπαθούν να ενοποιήσουν την κβαντική μηχανική με τη βαρύτητα. Κάθε θεωρία λειτουργεί εξαιρετικά μέσα στο δικό της πεδίο: η πρώτη περιγράφει τη συμπεριφορά των σωματιδίων σε μικροσκοπικό επίπεδο, ενώ η γενική σχετικότητα εξηγεί πώς η βαρύτητα διαμορφώνει τη δομή του σύμπαντος. Ωστόσο, οι δύο θεωρίες αντιμετωπίζουν τον χρόνο με εντελώς διαφορετικό τρόπο.

«Στην καθιερωμένη κβαντική μηχανική, ο χρόνος αντιμετωπίζεται ως μια εξωτερική, κλασική παράμετρος που δεν επηρεάζεται από το υπό μελέτη κβαντικό σύστημα», εξηγεί η Curceanu. Αντίθετα, η γενική σχετικότητα περιγράφει τον χρόνο ως κάτι που μπορεί να διαστέλλεται ή να καμπυλώνεται υπό την επίδραση της μάζας και της ενέργειας.

Βασιζόμενη σε παλαιότερες ιδέες που υποστηρίζουν ότι η κβαντική μηχανική ίσως αποτελεί μέρος μιας βαθύτερης θεωρίας, η νέα έρευνα υποδεικνύει πιθανούς δεσμούς μεταξύ κβαντικής συμπεριφοράς, βαρύτητας και της ίδιας της ροής του χρόνου.

Η Curceanu υπογραμμίζει τη σημασία της διερεύνησης μη συμβατικών ιδεών στη φυσική. «Δεν υπάρχουν πολλά ιδρύματα στον κόσμο που να υποστηρίζουν έρευνες πάνω σε τόσο θεμελιώδη ερωτήματα για το σύμπαν, τον χώρο, τον χρόνο και την ύλη», σημειώνει. «Η δουλειά μας δείχνει ότι ακόμη και ριζοσπαστικές ιδέες για την κβαντική μηχανική μπορούν να ελεγχθούν με ακριβείς φυσικές μετρήσεις και ότι, ευτυχώς, η χρονομέτρηση παραμένει ένας από τους πιο σταθερούς πυλώνες της σύγχρονης φυσικής».

Η μελέτη υποστηρίχθηκε εν μέρει μέσω του προγράμματος Consciousness in the Physical World του FQxI. Περισσότερες πληροφορίες για τα ερευνητικά προγράμματα της ομάδας δημοσιεύονται στο άρθρο του FQxI «Can We Feel What It’s Like to Be Quantum?» του Brendan Foster.