Optické hodiny mohou odhalit kvantovou povahu času

V životě existuje bezpočet proměnných, naše existence se však neúprosně měří podle jediné veličiny: času.

Obvykle si jej představujeme jako pevný, plynulý a jednosměrný. Šíp času letí přímo vpřed a nám nezbývá než následovat jeho dráhu.

Co když je ale čas o něco méně svázaný pravidly, než napovídá naše zkušenost? A co když se v něm skrývá kvantová podstata?

Tým fyziků v nové vědecké práci ukázal, jak by k prokázání kvantové povahy času mohly posloužit optické hodiny. Jde o mimořádně přesný druh atomových hodin, který místo mikrovlnných signálů využívá frekvence viditelného světla. Takový důkaz by nám mohl pomoci pochopit i samotnou záhadnou podstatu času v celé její šíři.

„Ukazuje se, že čas má hlubší stránky, které nikdo nikdy nezažil a které dosud nebyly ani změřeny,“ řekl serveru ScienceAlert fyzik Igor Pikovski z amerického technologického institutu Stevens.

„Podle kvantové teorie mohou nastat situace, kdy čas neplyne jednoduše stále stejným tempem. Místo toho existuje ‚mnoho časů v superpozici‘, tedy čas současně plyne různou rychlostí.

„V praxi to znamená, že jediné hodiny by zaznamenaly několik různých časů, nikoli jen jeden, jak jsme běžně zvyklí. Dosud to nikdo nepozoroval, ale ukazujeme, že současné iontové hodiny by to už mohly zachytit.“

Od absolutního času k relativitě

Po staletí byl čas považován za absolutní, jak jej definoval sir Isaac Newton. Popisoval jej jako univerzální konstantu a nezávislou součást objektivní reality, kterou nemohou ovlivnit vnější vlivy.

Pak ale přišel Albert Einstein a do soukolí Newtonova pojetí nenápadně vložil teorii relativity. Jeho nové fyzikální rámce ukázaly, že čas je relativní a v závislosti na pohybu a gravitaci může plynout rychleji nebo pomaleji.

„Univerzální čas neexistuje, existuje pouze to, čemu říkáme ‚vlastní čas‘: každý pozorovatel zaznamenává svůj vlastní čas a tyto časy se mohou lišit,“ vysvětlil Pikovski.

„Právě s tím pracujeme, konkrétně s tím, že plynutí času se mění podle rychlosti a polohy. Typickým příkladem relativistického času podle Einsteina je ‚paradox dvojčat‘: jedno z dvojčat podnikne cestu raketou tam a zpět a po návratu je mladší než druhé dvojče, které zůstalo na Zemi a zestárlo více.“

Dilatace času je relativistický jev, a proto jí dobře rozumíme.

Experimentálně však dosud nebylo prozkoumáno, jak se čas může chovat v kvantovém režimu. Jde o měřítka, v nichž už samotná relativita nestačí k popisu chování vesmíru a do hry vstupuje kvantová teorie.

Ani v kvantové teorii se však s časem obvykle nepracuje jinak než jako s klasickým jevem, který na pozadí rovnoměrně plyne jedním směrem.

„Jednou z nejdůležitějších výzev současné fyziky je nalézt kvantovou teorii gravitace,“ vysvětlil Pikovski.

„Očekáváme, že taková teorie popíše řadu jinak klasických pojmů, jako jsou čas a gravitace, pomocí něčeho zásadně kvantového. Víme tedy, že dnešní popis času nemůže být konečným vysvětlením – když do hry vstoupí kvantová teorie, něco v něm chybí.“

Optické hodiny a kvantová povaha času

Pikovski a jeho kolegové ve své práci navrhují způsoby, jak zkoumat kvantové časové jevy pomocí mimořádně přesných optických hodin, jejichž chod určuje kmitání atomů buzených lasery.

Mezi tyto jevy patří časová superpozice, při níž mohou současně existovat překrývající se časy, a také provázání, při němž se čas a pohyb mohou spojit a vzájemně ovlivňovat své chování.

„Provázání a superpozice jsou charakteristickými znaky kvantového chování,“ řekl Pikovski serveru ScienceAlert.

„Naše práce ukazuje, že i samotný čas by mohl mít takové kvantové znaky, což se v kvantové fyzice obvykle nepředpokládá.“

V praxi by to mohlo znamenat, že jedny hodiny současně zaznamenají více časů, které od sebe dělí nepředstavitelně malé zlomky. Šlo by o intervaly v řádu desítek attosekund, k jejichž změření jsou dostatečně přesné pouze optické atomové hodiny.

Atomové hodiny už dnes dokážou měřit drobné relativistické účinky, například dilataci času. Když jedny hodiny zvedneme jen o několik centimetrů nad druhé, nepatrný rozdíl v zemské gravitaci mezi oběma polohami stačí k tomu, aby na hodinách vznikl měřitelný dilatační efekt.

Podle práce Pikovského a jeho kolegů by optické hodiny mohly být dostatečně přesné i pro pozorování kvantových účinků.

Tým navrhuje využít kvantovou techniku známou jako „stlačování“, která dokáže zesílit nepatrné fluktuace v systému. V tomto případě by mohla zvýraznit kvantové chování atomů uvnitř hodin, a tím zviditelnit podivné účinky na čas.

Některé z těchto účinků by se mohly podařit zachytit současnou technikou, jiné jsou zatím příliš nepatrné a křehké. Přesto stojí za to pátrat po těch, které jsou v dosahu.

Experimentální důkazy a hranice fyziky

Postupy navržené vědci by mohly přinést první experimentální důkaz, že samotný čas se může chovat podle zákonů kvantové mechaniky.

Fyzici by tak získali nový způsob, jak zkoumat průnik relativity a kvantového světa, i nové poznatky o samotné podstatě času.

„Myslím, že nám to může poskytnout vodítka a experimentální poznatky o tom, jak jsou naše každodenní představy o realitě zavádějící. Kvantová teorie není jen podivná, ale také naznačuje zásadně odlišnou základní strukturu vesmíru, která je v rozporu s každodenní zkušeností,“ řekl Pikovski.

„Einstein se ve známé poznámce zeptal: ‚Je Měsíc na obloze, když se na něj nikdo nedívá?‘ Chtěl tím poukázat na podivné předpovědi kvantové mechaniky.

„Pokud samotný čas tyto kvantové vlastnosti přebírá, tedy může být v superpozici, když se nikdo nedívá, byl by to pro mě fascinující pohled do podivného vnitřního fungování přírody a zároveň vodítko k novým hranicím základní fyziky.“

Studie vyšla v časopise Physical Review Letters.