Schrödingerove hodiny: Čas môže podľa fyzikov tikať rýchlejšie aj pomalšie naraz
Čas nemusí plynúť tak pevne, ako si myslíme. Vedci skúmajú, či jedny atómové hodiny dokážu tikať rýchlejšie aj pomalšie naraz.
Čas vnímame ako niečo stabilné, hodiny tikajú, sekundy plynú rovnomerne a všetko sa dá pekne zmerať. Nový výskum však naznačuje, že realita môže fungovať omnoho zvláštnejšie. V klasickom pohľade sa čas správa ako línia, po ktorej sa veci jednoducho posúvajú dopredu. Lenže fyzici v novej štúdii ukazujú, že pri extrémne presných atómových hodinách by sa mohli objaviť stopy niečoho oveľa čudnejšieho. Časomer by sa mohol dostať do stavu, v ktorom „plynie“ naraz dvoma rôznymi rýchlosťami.
Štúdia s názvom Quantum signatures of proper time in optical ion clocks vyšla v apríli 2026 v časopise Physical Review Letters. Výskum viedol tím zo Stevens Institute of Technology v spolupráci s metrologickými a kvantovými laboratóriami v USA, informuje Science Daily. Hlavnou myšlienkou ich práce je to, že jeden jediný atómový časomer môže existovať v stave, kde tiká rýchlejšie aj pomalšie zároveň. Nejde teda o to, že by vedci už priamo odfotili „kvantový čas“, ale o návrh, ako by sa jeho stopy dali prvýkrát zachytiť pomocou existujúcich technológií.
Kľúčový je pojem vlastný čas. Znie to komplikovane, no v praxi ide o čas, ktorý si so sebou nesie konkrétny objekt. Einsteinova relativita už dávno ukázala, že čas neplynie úplne rovnako pre každého. Závisí od rýchlosti aj gravitácie. Hodiny v pohybe môžu tikať trochu inak než hodiny, ktoré stoja na mieste. Rozdiel je extrémne malý, ale dnešné atómové hodiny sú už také presné, že podobné odchýlky dokážu merať.
Vedci tento jav prirovnávajú ku kvantovej superpozícii, teda rovnakému princípu, ktorý stojí za slávnou Schrödingerovou mačkou. Ide o myšlienku, že jeden kvantový objekt môže existovať súčasne v dvoch rôznych stavoch, až dokým neprebehne meranie, ktoré spôsobí, že sa stav superpozície zrúti do jedného konkrétneho výsledku.
V prípade Schrödingerovho experimentu je mačka v uzavretej nepriehľadnej krabici s jedom naraz živá aj mŕtva, až dokým krabicu neotvoríme a nepozrieme sa dovnútra. Až vtedy sa „rozhodne“ o stave, v akom mačku nájdeme. Pri hodinách ide o podobne zvláštnu predstavu. Nie že by boli fyzicky rozbité. Skôr by ich kvantový pohyb mohol spôsobiť, že ich vlastný čas bude existovať v dvoch možnostiach naraz.
Neprehliadni
Aby efekt kvantového času dokázali výskumníci vôbec zachytiť, použili na to takzvané stlačené kvantové stavy. V kvantovej fyzike totiž platí Heisenbergov princíp neurčitosti, podľa ktorého nemôžeš naraz presne zmerať polohu aj rýchlosť častice. Keď získaš presnosť v jednej veličine, druhá sa automaticky rozmaže.
Vedci tento limit neporušili, ale „presunuli ho“, čo znamená, že kvantový systém zámerne zdeformovali tak, aby sa neistota sústredila do jednej oblasti. Presnejšie rozmazali hybnosť, čím získali možnosť extrémne presne zmerať polohu. A práve táto presnosť umožnila zachytiť aj minimálne rozdiely v tikaní atómových hodín. Autori štúdie to opisujú ako extrémny fyzikálny zoom, bez ktorého by sa jemné rozdiely v chode času jednoducho stratili v šume.
Ani pri extrémne nízkej teplote nie sú merania času stabilné
Bežné hodiny poháňa mechanika alebo elektronika, ktorú teplo deformuje. Atómy v nich vibrujú, materiály sa rozťahujú a časomer citlivo reaguje na okolité prostredie. Aby boli hodiny dokonale presné, vedci ich musia izolovať a chladiť. V najmodernejších experimentoch dokážu vedci ochladiť ióny takmer na absolútnu nulu, čo je bod, v ktorom sa zastaví klasický tepelný pohyb, atómy do seba takmer nenarážajú a okolité tepelné rušenie sa výrazne potlačí. Logicky by sme očakávali, že hodiny dosiahnu absolútnu, nehybnú stabilitu.
Aj v úplnom vákuu, kde neexistuje teplo ani klasický pohyb, však stále prebiehajú kvantové fluktuácie. Virtuálne častice neustále vznikajú a zanikajú, hoci ich priamo nevidíš. Toto „prázdno“ má vlastnú energiu a vlastné jemné výkyvy. A práve tie začnú ovplyvňovať aj extrémne presné atómové hodiny.
„Aj pri absolútnej nule zostáva chod hodín ovplyvnený kvantovými fluktuáciami,“ uviedol doktorand Gabriel Sorci.
Vo výsledku dostávame niečo, čo nie je úplne intuitívne. Aj keď odstránime teplo, vibrácie a klasický pohyb, stále nezískame úplný pokoj. Niečo v pozadí stále jemne „trasie“ časom.
Keď sa skombinuje extrémna presnosť atómových hodín, stlačené kvantové stavy a kvantové fluktuácie vákua, vznikne zvláštny efekt. Jedny hodiny sa môžu ocitnúť v stave, kde ich tikanie prebieha súčasne rýchlejšie aj pomalšie. V tomto prípade ale nejde o chybu merania, ale o legitímny kvantový stav. Výskumníci tento jav zatiaľ nepozorovali priamo, ale majú postup, ako sa k nemu priblížiť pomocou existujúcich technológií.
Kvantové vlastnosti času môžu byť to, čo potrebujeme k objaveniu teórie všetkého
Celý výskum posúva atómové hodiny z úlohy presného merania času do úlohy testu základov reality. Ak sa potvrdí, že jeden časomer môže existovať v dvoch rýchlostiach naraz, fyzika získa nový spôsob, ako skúmať hranicu medzi kvantovou mechanikou a relativitou, čo je podľa mnohých vedcov cestou k vytvoreniu „teórie všetkého“, ktorá by tieto dva nekompatibilné svety spojila.
Známy paradox dvojčiat z relativity hovorí, že človek, ktorý by cestoval veľmi vysokou rýchlosťou, by po návrate zostarol o niečo menej než jeho dvojča na Zemi. Nová štúdia túto predstavu posúva ešte ďalej. Pýta sa, či by jeden jediný časomer mohol zažiť dve takéto časové cesty naraz. Znie to prehnane, no práve tu sa stretáva Einsteinova fyzika s kvantovým svetom.
Zatiaľ ide o extrémne citlivé teoretické predpovede a experimenty na hranici možností merania. Vedci sami priznávajú, že ide o veľmi jemný efekt, ktorý sa skrýva hlboko v šume reality. Zároveň ostávajú optimistickí a veria, že sa im v ďalších experimentoch podarí túto kvantovú vlastnosť času lepšie merať.
