Překvapivá kvantová teorie: Čas může plynout rychle i pomalu zároveň

Vědci ze Stevens Institute of Technology, Colorado State University a National Institute of Standards and Technology (NIST) představili novou teorii, podle níž čas může existovat v kvantové superpozici a tikat rychle i pomalu zároveň.

Vědci ze Stevens Institute of Technology, Colorado State University a National Institute of Standards and Technology (NIST) představili novou teorii, podle níž čas může existovat v kvantové superpozici a tikat rychle i pomalu zároveň. Tento průlomový výzkum ukazuje, jak moderní kvantové technologie poskytují nové nástroje ke studiu základních fyzikálních záhad.

Čas je základní, avšak záhadný koncept, který denně používáme i v nejpreciznějších aplikacích, jako je GPS. Naše chápání času je však stále omezené. Velké mysli, jako byl Einstein, nám ukázaly, že tok času závisí na pohybu a gravitaci. Když se však k tomu přidá vrstva kvantové teorie, tok času se stává protiintuitivním.

Podle teorie relativity má každé hodiny svůj vlastní tok času, který závisí na jejich rychlosti a poloze. Vědci z NIST například demonstrovali, že ultraprecizní hodiny pohybující se rychlostí 10 metrů za sekundu po dobu 57 milionů let by se zpozdily o jednu sekundu oproti hodinám v klidu. Tento jev, známý jako paradox dvojčat, znamená, že identická dvojčata by stárla odlišně, pokud by jedno z nich cestovalo rychleji než druhé. Když se však pohyb hodin zkoumá z pohledu kvantové mechaniky, mohou existovat v superpozici, a s nimi i plynutí času. Zjednodušeně řečeno, je to podobné Schrödingerovu myšlenkovému experimentu s kočkou, která je zároveň mrtvá i živá; zde je čas zároveň mladý i starý.

Igor Pikovski, asistent profesora teoretické fyziky na Stevens Institute of Technology, vysvětluje, že čas hraje velmi odlišné role v kvantové teorii a v relativitě. Nový výzkum ukazuje, že propojení těchto dvou konceptů může odhalit skryté kvantové signatury toku času, které již nelze popsat klasickou fyzikou. Pikovski již před více než deseti lety naznačil, že podle kvantové teorie by čas měl být v superpozici, ale experimentální důkaz byl tehdy obtížný. Nyní jsou vědci přesvědčeni, že nová generace atomových hodin a další vyvinuté kvantové technologie budou schopny tuto teorii demonstrovat.

Spolupráce výzkumníků se zaměřila na vzájemné působení relativistického času a kvantových efektů v atomových hodinách. Po ochlazení atomových hodin, které zachycují jednotlivé ionty, jako je hliník a ytterbium, na absolutní nulu, vědci manipulovali s jejich kvantovými stavy pomocí laserových pulsů. Gabriel Sorci, doktorand na Stevens Institute of Technology, který se na práci podílel, dodává, že atomové hodiny jsou nyní tak citlivé, že dokážou detekovat nepatrné rozdíly v čase způsobené pouhými tepelnými vibracemi při nepatrných teplotách. I při absolutní nule, v základním stavu, bude rychlost tikání stále ovlivněna samotnými kvantovými fluktuacemi.

Vědci šli ještě dál a manipulovali samotným vakuem, čímž vytvořili stlačené stavy, ve kterých může poloha a rychlost hodin vykazovat kvantové chování. Výsledkem je projev relativistického času, ve kterém vznikají superpozice a provázanost, a jediné hodiny měří, jak tikají rychleji nebo pomaleji zároveň. Teoretický článek byl publikován v Physical Review Letters a tým brzy očekává provedení laboratorních experimentů k ověření těchto poznatků.