Наименьший возможный отрезок времени не может составлять более одной миллионной от одной миллиардной от одной миллиардной от одной миллиардной доли секунды. Именно об этом говорит новая теория, описывающая нашу Вселенную как обладающую фундаментальным «часовым механизмом», чье «тикание» в будущем сможет ощутимо влиять на наши лучшие атомные часы.
Итак, у большинства из нас есть чувство времени. Но что такое время?
«Мы не знаем», — сказал в интервью Мартин Божовальд, физик из Университета штата Пенсильвания. «Мы знаем, что все во Вселенной меняется, и мы можем лишь описывать эти изменения с точки зрения времени».
Физика имеет два противоречивых взгляда на время, добавил он. Один из них, основанный на квантовой механике, говорит о времени как о параметре, который никогда не прекращает течь в неизменном ритме. Другой, выведенный из теории относительности, говорит ученым, что время может сжиматься и расширяться для двух наблюдателей, движущихся с разной скоростью, из-за чего они будут расходиться во мнении о промежутке времени, прошедшем между событиями.
Принцип работы атомных часов заключается в том, чтобы засечь колебания атомов, которые делают это за определенные точно известные промежутки времени.
В большинстве случаев это несоответствие не так уж и важно. Отдельные области, описываемые квантовой механикой и теорией относительности, почти не пересекаются. Но некоторые экстремальные объекты, такие как черные дыры, имеют огромную массу в небольшом объеме пространства, поэтому их сложно описать без одной из возможных «теорий всего», известной как квантовая гравитация.
В некоторых теоретических версиях квантовой гравитации само время является квантованным, то есть оно состоит из дискретных единиц, каждая из которых является фундаментальным периодом времени. Если это на самом деле так, то во Вселенной должно быть некое базовое поле, которое устанавливает минимальную скорость «тик-така» для всего внутри него, вроде знаменитого поля Хиггса, которое порождает частицу под названием бозон Хиггса, придающую другим частицам массу. Только в случае с такими «универсальными часами» «вместо того, чтобы давать массу, они дают время», — сказал Божовальд.
Моделируя такие универсальные часы, он и его коллеги смогли показать, что их работа в некоторых случаях будет влиять на построенные человеком атомные часы, которые используют маятниковые колебания определенных атомов, чтобы обеспечить нам самые точные измерения времени. Согласно этой модели, «тиканье» атомных часов иногда не будет синхронизироваться с «тиканьем» таких универсальных часов.
Если эта модель окажется верной, то она ограничит нашу точность измерения времени при помощи отдельных атомных часов. Иными словами, это означает, что двое одинаковых атомных часов могут в конечном итоге получить разную длину одного и того же промежутка времени. Учитывая, что наши лучшие атомные часы при согласовании друг с другом могут измерять промежутки времени до 10-19 секунды, ограничение на фундаментальную единицу времени в 10-33 секунды, полученное командой Божовальда и опубликованное в статье от 19 июня в журнале Physical Review Letters, едва ли грозит нашим измерениям в ближайшее время. Правда, это приводит и к невозможности подтверждения новой модели, так что пока что она оказывается лишь красивой математической теорией.
«Что мне больше всего нравится в этой статье, так это аккуратность модели», — сказал в интервью Эстебан Кастро-Руис, квантовый физик из Брюссельского университета в Бельгии, который не принимал участия в этой работе. «Они смогли получить реальную привязку к единице времени, которую вы в принципе можете измерить, и я нахожу это удивительным».
Принцип относительности говорит о том, что чем быстрее мы движемся, тем медленнее для нас течет время. При этом квантовая механика говорит нам иное, что время всегда постоянно. И пока мы не можем найти общую «теорию всего», которая объяснит это разногласие.
Исследования такого типа, как правило, чрезвычайно абстрактны, добавил он, поэтому удивительно и приятно видеть конкретный результат с моделируемыми последствиями для квантовой гравитации, а это означает, что однажды, когда наши атомные часы станут точнее, эта теория может быть проверена.
Хотя проверка того факта, что такая фундаментальная единица времени существует, выходит за рамки наших нынешних технологических возможностей, ее все же проще осуществить, чем предыдущие предложения, такие как планковское время, заявили исследователи в своей статье. Исходя из фундаментальных констант, планковское время устанавливает минимальный промежуток времени около 10-44 секунды, что составляет одну стомиллионную часть миллиардной миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды для текущего состояния Вселенной.
Вопрос о том, существует ли отрезок времени, меньший, чем планковское время, является предметом споров, поскольку ни квантовая механика, ни теория относительности не могут объяснить, что происходит ниже этого масштаба. На самом деле, это на данный момент просто не нужно: за 10-44 секунды даже свет пролетит лишь миллиардную долю от миллиардной доли пикометра — для лучшего понимания, атомы в среднем имеют размеры около сотни пикометров, то есть такое расстояние лежит ощутимо ниже субатомного мира. «Нет смысла говорить о времени в масштабах таких единиц, по крайней мере, в наших нынешних теориях», — сказал Кастро-Руис.
И новая теория, возможно, не предел. Поскольку сама Вселенная начиналась как массивный объект в крошечном пространстве, которое затем быстро расширялось, Божовальд считает, что космологические наблюдения, такие как тщательные измерения космического микроволнового фона, реликта Большого взрыва, могут задать более жесткие рамки для фундаментальной единицы времени.
