מחקר חדש מציע להשתמש בשעונים אטומיים מדויקים במיוחד כדי לבדוק אם זרימת הזמן יכולה להימצא בסופרפוזיציה קוונטית. החוקרים מקווים למדוד לראשונה מצב שבו שעון יחיד “מתקתק” בכמה קצבים בעת ובעונה אחת.
הזמן הוא אחד המושגים הבסיסיים ביותר בחיי היומיום, אבל גם אחד המסתוריים ביותר בפיזיקה. בתורת היחסות של איינשטיין הזמן אינו מוחלט. הוא תלוי במהירות התנועה ובשדה הכבידה. שעון שנע במהירות גבוהה או נמצא באזור כבידה שונה ימדוד זמן מעט אחר לעומת שעון אחר. מכניקת הקוונטים מוסיפה לכך שכבה מוזרה עוד יותר: אם עצם יכול להימצא בכמה מצבים בעת ובעונה אחת, ייתכן שגם הזמן הנמדד על-ידי שעון קוונטי יוכל להימצא בכמה מצבים במקביל.
מחקר חדש שפורסם בכתב העת Physical Review Letters מציע דרך ניסויית לבדוק את האפשרות הזאת. המחקר מובל על-ידי איגור פיקובסקי, פרופסור לפיזיקה תאורטית במכון סטיבנס לטכנולוגיה, בשיתוף צוותים ניסיוניים מאוניברסיטת קולורדו סטייט ומהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארצות הבריתNIST . החוקרים בחנו כיצד שעונים אטומיים, מהמערכות המדויקות ביותר שנבנו אי פעם למדידת זמן, יוכלו לשמש גם כמעבדה לבדיקת הקשר בין יחסות למכניקת הקוונטים.
הרעיון המרכזי הוא פשוט לתיאור, אך קשה מאוד לבדיקה. אם שעון עצמו הוא מערכת קוונטית, והתנועה שלו יכולה להימצא בסופרפוזיציה, כלומר בכמה מצבי תנועה בעת ובעונה אחת, אז גם הזמן שהוא מודד עשוי להימצא בסופרפוזיציה. במילים אחרות, אותו שעון עשוי “לחוות” כמה קצבי זמן שונים בו זמנית. החוקרים משווים זאת לניסוי המחשבתי הידוע של שרדינגר, שבו חתול יכול להיות לכאורה חי ומת עד שמבצעים מדידה. במקרה החדש, לא החתול נמצא בשני מצבים, אלא זרימת הזמן של השעון עצמו.
כאשר היחסות פוגשת את הקוונטים
תורת היחסות קובעת שכל שעון מודד את הזמן מעט אחרת בהתאם למהירותו ולמיקומו. לדוגמה, שעון שנע במהירות של 10 מטרים לשנייה במשך 57 מיליון שנה יפגר בשנייה אחת בלבד לעומת שעון נייח. ההפרש הזה זעיר מאוד, אך ניסויים בשעונים אטומיים מדויקים כבר אישרו תופעות מסוג זה. אחד הביטויים המפורסמים לכך הוא “פרדוקס התאומים”, שבו תאום היוצא למסע מהיר בחלל חוזר צעיר מעט יותר מתאומו שנותר על הארץ.
הגרסה הקוונטית של השאלה מוזרה עוד יותר: האם שעון יחיד יכול לנוע בכמה מסלולים קוונטיים בעת ובעונה אחת, ולכן גם למדוד כמה “זמני חיים” שונים? עבודות תאורטיות קודמות כבר הציעו שהדבר אפשרי, אבל עד כה האפקטים היו חלשים מדי למדידה ישירה. כעת טוענים החוקרים כי ההתקדמות בשעונים אטומיים ובטכנולוגיות יונים לכודים עשויה להפוך את הרעיון לכזה שניתן לבדיקה בניסוי.
שעונים אטומיים נכנסים למשטר הקוונטי
המערכות שעליהן מדברים החוקרים מבוססות על יונים בודדים, למשל של אלומיניום או איטרביום, הנלכדים בשדות חשמליים ומקוררים לטמפרטורות קרובות מאוד לאפס המוחלט. בעזרת לייזרים ניתן לשלוט במצבם הקוונטי ולמדוד את תדירות המעברים האטומיים בדיוק עצום. אלה אותם עקרונות המשמשים גם בשעונים אטומיים מתקדמים וגם במחשוב קוונטי מבוסס יונים לכודים.
אחד החוקרים, גבריאל סורצ’י, הסביר כי שעונים אטומיים נעשו רגישים עד כדי כך שהם יכולים לזהות הבדלי זמן זעירים הנובעים מתנודות תרמיות בטמפרטורות נמוכות ביותר. אולם גם באפס המוחלט, כאשר המערכת נמצאת במצב היסוד שלה, עדיין קיימות תנודות קוונטיות. לפי המחקר, תנודות אלה לבדן עשויות להשפיע על קצב התקתוק של השעון.
הצוות מציע גם להשתמש במצבים קוונטיים מיוחדים המכונים "מצבים דחוסיםsqueezed states ". במצבים כאלה מצמצמים את אי-הוודאות בגודל פיזיקלי אחד, למשל מיקום, במחיר הגדלת אי-הוודאות בגודל אחר, למשל תנע. שימוש במצבים כאלה עשוי להבליט את החתימות הקוונטיות של זרימת הזמן ולאפשר מדידה שלהן במעבדה.
המשמעות אינה שהזמן “ייעלם” או שהשעון יראה לעין אדם שתי שעות שונות. מדובר באפקטים זעירים, ברמת מערכות קוונטיות בודדות, שדורשים מכשור מדויק ביותר. אבל אם יימדדו, הם יספקו עדות נדירה לכך שגם מושג הזמן, כפי שהוא נמדד על-ידי שעון פיזיקלי, מושפע מהכללים הקוונטיים.
פיקובסקי מסכם כי הזמן ממלא תפקידים שונים מאוד בתורת היחסות ובמכניקת הקוונטים. המחקר החדש מראה כי חיבור בין שתי התורות עשוי לחשוף חתימות קוונטיות נסתרות של זרימת הזמן, שאי אפשר להסביר במסגרת פיזיקה קלאסית. מעבר למשמעות הפילוסופית, הניסוי המוצע מדגים כיצד טכנולוגיות קוונטיות שפותחו לצורך שעונים מדויקים ומחשוב קוונטי הופכות לכלי מחקר בסיסיים בשאלות העמוקות ביותר של הפיזיקה.
עוד בנושא באתר הידען:
