Ο περιπεπλεγμένος χρόνος της κβαντικής βαρύτητας

Οι θεωρίες της κβαντομηχανικής και της βαρύτητας είναι γνωστές για το ότι είναι ασύμβατες, παρά τις προσπάθειες πλήθους φυσικών κατά τα τελευταία πενήντα χρόνια. Ωστόσο, πρόσφατα μια διεθνής ομάδα ερευνητών υπό την ηγεσία φυσικών από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης, την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών, καθώς επίσης από το Πανεπιστήμιο του Queensland (στην Αυστραλία) και το Ινστιτούτου Τεχνολογία Stevens (στις ΗΠΑ) έχουν συνδυάσει τα βασικά στοιχεία των δυο θεωριών περιγράφοντας τη ροή του χρόνου και ανακάλυψαν ότι η χρονική σειρά μεταξύ των γεγονότων μπορεί να εμφανίσει αυθεντικά κβαντικά χαρακτηριστικά.

Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, η παρουσία ενός αντικειμένου μεγάλης μάζας επιβραδύνει τη ροή του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι ένα ρολόι τοποθετημένο κοντά σε ένα τέτοιο αντικείμενο μεγάλης μάζας θα «τρέχει» πιο αργά σε σύγκριση με ένα ολόιδιο που είναι απομακρυσμένο. Ωστόσο, οι κανόνες της κβαντικής θεωρίας επιτρέπουν για κάθε αντικείμενο να βρίσκεται σε μια κατάσταση υπέρθεσης. Μια κατάσταση υπέρθεσης δυο θέσεων είναι διαφορετική τοποθετώντας ένα αντικείμενο στη μια ή στην άλλη θέση τυχαία – είναι ένα άλλος τρόπος για ένα αντικείμενο να υπάρχει, που επιτρέπεται από τους νόμους της κβαντικής φυσικής.

Μια από τις ανοιχτές ερωτήσεις στη φυσική είναι: Τι συμβαίνει όταν ένα αντικείμενο αρκετά μεγάλης μάζας, ώστε να επηρεάζει τη ροή του χρόνου, τίθεται σε μια κβαντική κατάσταση υπέρθεσης;

Αυτό είναι ένα αμφιλεγόμενο ζήτημα: ορισμένοι φυσικοί ισχυρίζονται ότι τέτοια σενάρια είναι βασικά αδύνατα – κάποιος νέος μηχανισμός πρέπει να μπλοκάρει την υπέρθεση από το να διαμορφωθεί στην πρώτη θέση – ενώ άλλοι αναπτύσσουν ολόκληρες θεωρίες βασισμένες στην υπόθεση ότι αυτό είναι δυνατό. «Ξεκινήσαμε αντιμετωπίζοντας ένα ερώτημα: τι θα μετρούσε ένα ρολόι εάν ήταν υπό την επήρεια ενός αντικειμένου μεγάλης μάζας σε μια κβαντική κατάσταση υπέρθεσης;», εξηγεί η Magdalena Zych από το Πανεπιστήμιο του Queensland.

Οι επιστήμονες περίμεναν να αντιμετωπίσουν εμπόδια που καθιστούν το σενάριο αδύνατο, αλλά απροσδόκητα, χρησιμοποιώντας τυπικά βιβλία φυσικής μπόρεσαν να περιγράψουν ακριβώς τι συμβαίνει. Έτσι ανακάλυψαν ότι όταν ένα αντικείμενο μεγάλης μάζας τίθεται σε κβαντική υπέρθεση σε μια κοντινή απόσταση από ένα σύνολο ρολογιών, η χρονική σειρά τους γίνεται αυθεντικά κβαντική, αγνοώντας κάθε κλασική περιγραφή.

Ο Caslav Brukner, εκ των συγγραφέων, από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης και την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών πρόσθεσε ότι το καθεστώς στο οποίο θα μπορούσε να προκύψει η κβαντική χρονική σειρά είναι αρκετά απόμακρο από την καθημερινή μας εμπειρία, «όμως η πιο σημαντική γνώση από την εργασία μας είναι ότι η κβαντική χρονική τάξη είναι εν γένει δυνατή και ότι οδηγεί σε νέα φυσικά αποτελέσματα».

Για να οπτικοποιηθεί το τι συμβαίνει, φανταζόμαστε ένα ζευγάρι αστρόπλοιων που εκπαιδεύονται για μια αποστολή. Τους ζητείται να πυροβολήσουν το ένα το άλλο σε έναν συγκεκριμένο χρόνο και αμέσως να εκκινήσουν τις μηχανές τους με σκοπό να αποφύγουν την επίθεση ο ένας του άλλου. Αν οποιοδήποτε από τα δυο σκάφη πυροβολήσει πολύ νωρίς, θα καταστρέψει το άλλο και αυτό θα εγκαταστήσει μια πρόδηλη χρονική σειρά μεταξύ των δυο γεγονότων πυροβολισμού. Εάν ένα ισχυρός παράγοντας θα μπορούσε να τοποθετήσει ένα σημαντικά μεγάλης μάζας αντικείμενο, ας πούμε έναν πλανήτη, πλησιέστερα στο ένα σκάφος θα επιβράδυνε τη μέτρηση του χρόνου του. Ως αποτέλεσμα, το σκάφος που είναι αρκετά μακριά από τη μάζα θα πυροβολήσει πολύ νωρίς για να πρώτο για να ξεφύγει.

Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής και της βαρύτητας προβλέπουν ότι με χειραγώγηση της κβαντικής κατάστασης υπέρθεσης του πλανήτη, τα σκάφη μπορούν να καταλήξουν σε μια υπέρθεση του οποιοδήποτε από αυτά να είναι κατεστραμμένο. Μια τέτοια κατάσταση υπέρθεσης, που περιλαμβάνει δυο συστήματα, αποκαλείται διεμπλεκόμενη. Η καινούρια εργασία δείχνει ότι η χρονική σειρά μεταξύ των γεγονότων μπορεί να εμφανίσει υπέρθεση και διεμπλοκή – αυθεντικά κβαντικά χαρακτηριστικά ιδιαίτερης σημασίας για έλεγχο της κβαντικής θεωρίας απέναντι σε εναλλακτικές. Το αποτέλεσμα μπορεί τώρα να χρησιμοποιηθεί ως θεωρητικό πεδίο δοκιμών για πλαίσια κβαντικής βαρύτητας και έτσι να βοηθήσει για την κίνηση προς την κατεύθυνση να διαμορφωθεί η σωστή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.

Η μελέτη θα σχετίζεται επίσης με μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες. Κβαντικοί υπολογιστές που αξιοποιούν την κβαντική σειρά των εκτελούμενων λειτουργιών μπορεί να συνδέονται με συσκευές που λειτουργούν χρησιμοποιώντας μόνο σταθερές αλληλουχίες. Οι πρακτικές εφαρμογές της κβαντικής χρονικής σειράς δεν απαιτούν ακραίες συνθήκες – όπως πλανήτες σε υπέρθεση – και μπορούν να προσομοιωθούν χωρίς τη χρήση της βαρύτητας. Η ανακάλυψη των κβαντικών ιδιοτήτων του χρόνου μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερες κβαντικές συσκευές στην επερχόμενη εποχή των κβαντικών υπολογιστών.

Πηγή: University of Vienna

Περισσότερα στη δημοσίευση: Bell’s theorem for temporal order. Nature Communications.