Учені встановили новий найменший відрізок часу, який може мати фізичний зміст. Це – одна мільйонна мільярдної мільярдної мільярдної частки секунди. Згідно з новою моделлю, в основі Всесвіту може лежати фундаментальний годинник, який відраховує саме такі часові відрізки.
У перспективі ідея «космічного годинника» може допомогти вченим розробити експерименти, які мають пролити світло на т. зв. «теорію усього» – масштабну наукову парадигму, яка повинна об’єднати два стовпи фізики 20 століття, а саме квантову механіку, яка дивиться на найменші об’єкти, що існують, і теорію відносності, яка розглядає найбільші.
Більшість із нас має відчуття плину часу. Але що таке час?
«Насправді ми не знаємо, – каже Мартін Божовальд, фізик з Університету Пенсильванії та головний автор дослідження. – Ми знаємо лише, що усі речі змінюються, й описуємо ці зміни з позиції часу».
Він додає, що у фізиці є два трактування часу. Перше випливає із квантової механіки і трактує його як параметр, який ніколи не перестає плинути зі стабільним темпом. Друге походить із теорії відносності й постулює, що час може стискатись або розширюватись для спостерігачів, що рухаються з різною швидкістю. Такі спостерігачі не дійдуть згоди, скільки минуло часу між двома подіями.
Розходження між цими підходами в теорії фундаментальне, але на практиці – не таке вже й важливе, оскільки світи, які вони описують, дуже рідко між собою перетинаються. Але є й винятки, зокрема чорні діри, в яких гігантська маса, зіставна з масою зірок, концентрується у надзвичайно малому просторі, який відповідає масштабам мікросвіту. Феномен чорних дір, отже, неможливо описати без «теорії усього», яка також відома як квантова гравітація.
У деяких теоріях квантової гравітації час теж піддається квантуванню, тобто його розглядають як послідовність дискретних порцій, що нагадують кадри кінофільму. Кожен кадр – це найменший фундаментальний відрізок часу. Звідси випливає, що в основі Всесвіту може лежати якесь фундаментальне поле, яка задає ритм «цокання» цього космічного годинника. Божовальд порівнює це поле і його «кванти» з полем Гіґґса, але «замість того, щоб надавати усьому масу, цей “універсальний годинник” надає усьому час», каже науковець.
Моделюючи цей універсальний годинник, він разом з колегами зміг показати, що він може впливати на атомні годинники – найточніші з усіх відомих хронометрів, в яких час вимірюють маятникоподібні коливання окремих атомів. Згідно з цією моделлю, хід атомних годинників з часом повинен розсинхронізовуватись з «цоканням» цього універсального годинника.
Звідси випливає, що атомні годинники зрештою також розійдуться між собою в обрахунку того, скільки минуло часу від певної події. Враховуючи те, що атомні годинники вимірюють час аж до 10-19 секунди, тобто однієї десятої мільярдної мільярдної мільярдної частки секунди, команда Божовальда дійшла висновку, що одна поділка «універсального годинника» має становити 10-33 секунди. Про це науковці повідомили у статті, яка 19 червня була опублікована у Physical Review Letters.
«Найбільше у цій статті мені імпонує елеґантність теоретичної моделі, – стверджує Естебан Кастро-Руїс, квантовий фізик з Вільного університету в Брюсселі, який не брав участі у дослідженні. – Вони дійшли до найменшого часового відрізку, який ви гіпотетично можете засікти. На мою думку, це неймовірно».
Він додає, що хоча це дослідження дуже абстрактне, воно дає підстави очікувати конкретних та спостережувальних наслідків для квантової гравітації, що означає, що колись її можна буде емпірично протестувати.
Верифікація такої мініатюрної часової величини поки що багаторазово перевищує технологічні можливості людства, проте вона все-таки доступніша, ніж попередні пропозиції найменших часових одиниць, зокрема часу Планка, – стверджують дослідники у статті. Час Планка виводиться із фундаментальних фізичних констант і становить 10-44 частки секунди, що дорівнює одній десятитисячній мільярдної мільярдної мільярдної мільярдної мільярдної частки секунди.
Можливо, існують ще менші часові відрізки, але ані квантова механіка, ні теорія відносності не можуть пояснити, що відбувається на меншій шкалі. «Говорити про час за межами цих відрізків немає сенсу, принаймні з погляду теперішніх теорій», – каже Кастро-Руїс.
Adam Mann,
The Universe’s Clock Might Have Bigger Ticks Than We Imagine
Scientific American, 14/07/2020
Зреферував Є. Л.