Bild https://www.eurekalert.org Modeller av kvantkollaps antyder små
tidsfluktuationer.
Kvantmekaniken är rik på paradoxer och motsägelser. Den beskriver en mikroskopisk värld där partiklar existerar i en superposition av tillstånd innebärande att de befinner sig på flera platser och konfigurationer samtidigt. Matematiskt definierade av det som fysiker kallar en vågfunktion. Men detta går emot våra vardagliga upplevelser av objekt. De är ju antingen här eller där aldrig både här och där samtidigt. Vanligtvis hanterar fysiker denna konflikt genom att hävda att när ett kvantsystem kommer i kontakt med en mätapparat eller en experimentell observatör, kollapsar systemets vågfunktion till ett enda, bestämt tillstånd.
Nu med stöd från Foundational Questions Institute FQxI har ett internationellt team fysiker visat att en familj av okonventionella lösningar på detta mätproblem kallat kvantkollapsmodeller har långtgående konsekvenser för tidens natur och
klockprecision. De publicerade sina resultat och föreslog ett nytt sätt att
särskilja dessa rivaliserande modeller från standard kvantteori, i Physical
Review Research, i november 2025 (se nedan)
"Det vi gjorde var att arbeta utefter idén att
kollapsmodeller kan vara kopplade till gravitation,"beskriver
Nicola Bortolotti, doktorand vid Enrico Fermi Museum and Research Centre (CREF)
i Rom, Italien, som var den som ledde studien. "Och sedan ställde vi en mycket konkret
fråga: Vad innebär detta för tiden själv?"
På 1980-talet började fysiker utforska kvantmodeller
där kollaps av vågfunktioner sker spontant, oavsett om systemet mäts eller
observeras. Till skillnad från vad som vanligtvis kallas 'tolkningar' av
kvantmekaniken som främst är konceptuella och experimentellt omöjliga att
skilja från accepterad standard kvantteori gör dessa kvantkollapsmodeller förutsägelser
som är konkreta och i princip testbara.
Bortolotti undersökte två olika modeller av kvantkollaps tillsammans med kollegorna Catalina Curceanu, medlem i FQxI och forskningschef vid Laboratori Nazionali di Frascati vid National Institute for Nuclear Physics (INFN-LNF) i Frascati, Italien, Kristian Piscicchia vid CREF och INFN-LNF, Lajos Diósi, vid Wigner Research Center for Physics och Eötvös Loránd University, i Budapest, Ungern, och Simone Manti från INFN-LNF. En modell, kallad Diósi-Penrose-modellen (uppkallad efter FQxI-medlemmarna Lajos Diósi och Sir Roger Penrose), har länge föreslagit att gravitation är kopplat till kollaps av vågfunktionen. Men för första gången drog visar de i den nya artikeln att också en kvantitativ koppling mellan den andra modellen, känd som Continuous Spontaneous Localization, och gravitationella rumtidsfluktuationer.
Den nya artikeln visar att om kollapsmodellerna har
rätt måste tiden själv uppvisa en liten inneboende osäkerhet vilket antyder
en grundläggande, men extremt liten, gräns för klockprecision. "När du väl
räknat ut är svaret tydligt och förvånansvärt lugnande," beskriver Bortolotti.
Det finns dock ingen anledning att oroa sig för att
denna osäkerhet ska påverka ditt armbandsur eller ens de mest precisa
atomklockor som finns idag eller inom överskådlig framtid. "Osäkerheten är
många storleksordningar under vad vi för närvarande kan mäta, så det har inga
praktiska konsekvenser för vardaglig tidmätning," beskriver Curceanu.
"Våra resultat visar tydligt att moderna tidmätningsteknologier är helt
opåverkade," tillägger Piscicchia.
Fysiker har länge sökt efter en enhetlig teori som
kan förena kvantmekanik och gravitation. Varje teori är i utsökt
överensstämmelse med experimentella resultat inom sitt eget område. För
kvantmekaniken den mikroskopiska världen av subatomära partiklar, och för
gravitation, som beskrivs av Einsteins allmänna relativitetsteori, det
makroskopiska området av stjärnor, galaxer och till och med universum självt.
Ändå har de två teorierna dramatiskt olika principer och synsätt på tid.
"I standardkvantmekanik behandlas tid som en extern, klassisk parameter
som inte påverkas av det kvantsystem som studeras," förklarar Curceanu. I
allmän relativitet är dock tid och rum formbara de skiftar och förvrängs under
påverkan av objekt med massa.
"Osäkerheten är många storleksordningar under
vad vi för närvarande kan mäta, så det har inga praktiska konsekvenser för
vardagstidmätning," beskriver Catalina Curceanu.
Med utgångspunkt i arbete som antyder att
kvantmekaniken kan vara bara en del av en större och mer grundläggande
fysikteori, antyder den nya artikeln dolda kopplingar mellan kvantmekanik,
gravitation och tid.
Curceanu betonade vikten av FQxI:s engagemang för
att utforska oortodoxa idéer. "Det finns inte många stiftelser i världen
som stödjer forskning om dessa grundläggande frågor om universum, rum, tid och
materia," beskriver Curceanu. "Vårt arbete visar att även radikala idéer
om kvantmekanik kan testas mot precisa fysiska mätningar och att lugnande
nog tidmätning fortfarande är en av de mest stabila pelarna i modern
fysik."
Studien stöddes delvis av FQxI:s program
Consciousness in the Physical World. Du kan läsa mer om teamets bidrag i
FQxI-artikeln: "Can We Feel What It's Like to Be Quantum?" av Brendan
Foster.
Tidskriftsreferens: "Fundamental limits on clock precision from spacetime uncertainty in quantum collapse models." Phys. Rev.Research
