Η κβαντική μηχανική περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες, όπου τα σωματίδια δεν ακολουθούν τους κανόνες της καθημερινής εμπειρίας. Σε αυτό το επίπεδο, μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε περισσότερες από μία καταστάσεις, φαινόμενο που είναι γνωστό ως υπέρθεση.
Η συμπεριφορά αυτή αποτυπώνεται μαθηματικά μέσω της κυματοσυνάρτησης. Ωστόσο, η εικόνα αυτή διαφέρει από όσα παρατηρούνται στον μακροσκοπικό κόσμο, όπου τα αντικείμενα έχουν συγκεκριμένη θέση και κατάσταση.
Για την ερμηνεία αυτής της διαφοράς, οι επιστήμονες θεωρούν ότι κατά τη μέτρηση ή την αλληλεπίδραση με έναν παρατηρητή, η κυματοσυνάρτηση καταλήγει σε ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα.
Με τη στήριξη του Ιδρύματος Θεμελιωδών Ερωτημάτων (FQxI), μια διεθνής ομάδα φυσικών επανεξέτασε τις θεωρίες «κβαντικής κατάρρευσης», ανοίγοντας νέους δρόμους για την κατανόηση της φύσης του χρόνου. Τα αποτελέσματα της μελέτης, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Research, δείχνουν ότι οι προσεγγίσεις αυτές μπορεί να επιβάλλουν θεμελιώδη όρια στην ακρίβεια με την οποία μπορούμε να μετρήσουμε τον χρόνο. Παράλληλα, προτείνουν έναν τρόπο πειραματικής δοκιμής των μοντέλων αυτών σε σύγκριση με την καθιερωμένη κβαντική θεωρία.
«Αντιμετωπίσαμε σοβαρά την ιδέα ότι τα μοντέλα κατάρρευσης μπορεί να συνδέονται με τη βαρύτητα», δηλώνει 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 δοκιμασμένα κβαντικά μοντέλα
Από τη δεκαετία του 1980, οι φυσικοί έχουν αναπτύξει θεωρίες σύμφωνα με τις οποίες η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης συμβαίνει αυθόρμητα, χωρίς να απαιτείται μέτρηση ή παρατήρηση. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής, που προσφέρουν διαφορετικούς τρόπους κατανόησης των ίδιων εξισώσεων, τα μοντέλα αυτά κάνουν προβλέψεις που μπορούν να ελεγχθούν πειραματικά.
Ο Bortolotti και οι συνεργάτες του – Catalina Curceanu, Kristian Piscicchia, Lajos Diósi και Simone Manti – μελέτησαν δύο βασικές εκδοχές αυτών των θεωριών. Το πρώτο είναι το μοντέλο Diósi-Penrose, που συνδέει τη βαρύτητα με την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Το δεύτερο είναι το μοντέλο Continuous Spontaneous Localization. Στη νέα τους εργασία, οι ερευνητές διατύπωσαν ποσοτική σχέση ανάμεσα στο δεύτερο μοντέλο και τις διακυμάνσεις του χωροχρόνου που προκαλεί η βαρύτητα.
Η ανάλυσή τους υποδεικνύει ότι, αν τα μοντέλα αυτά αντανακλούν την πραγματικότητα, τότε ο χρόνος δεν μπορεί να είναι απόλυτα ακριβής. Θα υπάρχει ένα ελάχιστο επίπεδο εγγενούς αβεβαιότητας, το οποίο θέτει φυσικό 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, ώστε δεν επηρεάζει καμία υπάρχουσα τεχνολογία. Ακόμη και τα πιο εξελιγμένα 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.
Η πρόκληση της ενοποίησης βαρύτητας και κβαντικής μηχανικής
Εδώ και δεκαετίες, οι φυσικοί επιχειρούν να ενοποιήσουν τη κβαντική μηχανική με τη βαρύτητα. Κάθε θεωρία λειτουργεί άψογα εντός του πεδίου της: η πρώτη περιγράφει τα σωματίδια 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 μέγεθος που μπορεί να διαστέλλεται ή να καμπυλώνεται υπό την επίδραση της μάζας και της ενέργειας.
Βασισμένη σε παλαιότερες ιδέες που υποστηρίζουν ότι η κβαντική μηχανική ίσως αποτελεί μέρος μιας βαθύτερης θεωρίας, η νέα έρευνα αναδεικνύει πιθανούς δεσμούς μεταξύ της κβαντικής συμπεριφοράς, της βαρύτητας και της ίδιας της ροής του χρόνου.
Η σημασία της θεμελιώδους έρευνας
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», επισημαίνει. «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 περιλαμβάνονται στο άρθρο του FQxI «Can We Feel What It’s Like to Be Quantum?» του Brendan Foster.
