物理学家表示,时间本身可能存在一个微小的内在缺陷

世界上最好的钟表仍在不断改进。在宇宙的整个年龄里,它们的误差不到一秒,而工程师们仍在不断寻找方法来进一步缩小这个已经不可能达到的误差范围。

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每年都有新的实验室公布新的纪录,现在有一小群物理学家开始质疑,这种对纪录的追求是否有上限。他们质疑的不是工程技术的限制,而是时间本身的限制。

时间或许永远不会完美地流逝。

罗马恩里科·费米博物馆和研究中心 ( CREF ) 的尼古拉·博托洛蒂带领一个团队得出了一个令人不安的结论。

他们发现,时间(时钟所测量的东西)可能带有微小的内置抖动,任何仪器都无法消除这种抖动。

这种抖动非常小,小得几乎可笑。但研究团队认为,它存在于宇宙本身,而不是我们设备的某种缺陷。

量子力学的奇异本质

在极小的尺度上,粒子不会固定在一个位置并具有一组固定的性质。

它以各种可能性的模糊形式存在,每种可能性都由其概率加权。物理学家用一种称为波函数的数学对象来描述这种模糊形式。

然后,某种物质与粒子发生相互作用,或者有人进行了测量。模糊的轨迹最终消失,只剩下一个单一的结果。

这种突然的稳定状态有一个名称,叫做波函数坍缩,经过近一个世纪的争论,没有人完全同意是什么触发了它。

两款车型展开竞争

大多数量子力学的解释都只是对相同的方程进行重新排列,然后争论其含义。20世纪80年代,一些物理学家尝试了一些不同的方法。

他们认为波函数会自行自发坍缩,无需观察者。

如今,其中两个提议尤为突出。一个是迪奥西-彭罗斯模型,该模型长期以来一直认为引力本身会将量子系统拉入确定的状态。

另一种是连续自发局域化。两者都预测了一些细微的效应,原则上可以通过仔细的实验​​检测到这些效应。

将重力与时间联系起来

博托洛蒂和他的同事们着手研究一个具体问题:如果自发坍塌真的发生,它会在时间的流逝中留下痕迹吗?

迪奥西-彭罗斯模型与引力之间的联系早已为人所知。早在几十年前,一篇论文就奠定了这一基础。然而,连续自发局域化实验并未揭示出这种联系。 

这两个想法是平行发展的,从不同的角度解决了同一个难题,但没有人以定量的方式将第二个想法与时空结构联系起来。

这就是新计算方法的作用。研究团队观察了连续自发局域化过程中随机发生的微小扰动。

如果它们真实存在,它们也会在物质周围的引力场中产生微小的涟漪。引力涟漪会变成时空涟漪,从而在时间中产生涟漪。

博托洛蒂说:“我们认真对待了坍缩模型可能与引力有关的观点。然后我们提出了一个非常具体的问题:这对时间本身意味着什么?”

探讨尺寸的重要性

时空的摆动会导致任何时钟走时的摆动。博托洛蒂和他的同事计算了如果这两种模型都能描述自然界,那么这种摆动必须有多大。

他们的答案远低于现代仪器所能测量的范围。即使是最好的原子钟也远未达到预测的最低值。

“这种不确定性比我们目前能够测量的任何事物都要小很多数量级,因此对日常计时没有任何实际影响,”该团队的合著者卡塔琳娜·库尔恰努说。

连接两种不同的物理学

既然时钟永远不会感受到这种影响,那又何必费这个劲呢?因为这一结果触及了现代科学中最深奥的未解难题之一:如何将量子力学与引力结合起来。

量子理论将时间视为一个固定的背景,无论粒子做什么,它都会持续流逝。

爱因斯坦的相对论将时间视为一种在质量和能量作用下会弯曲和伸展的物质。这两种观点一个世纪以来一直无法调和。

这项新的计算为物理学家们搭建了一座虽小却非常现实的桥梁。它表明,如果一种更具推测性的量子力学修正尝试是正确的,那么它将触及引力领域,并在时间本身留下印记。

对时间的未来影响

在此项研究之前,连续自发局域化与时空涨落之间的联系尚未被阐明。如今,这一空白已被填补,并得到了一个具体的预测。 

坍缩模型不再仅仅是标准量子理论的哲学替代方案。

他们提出了一个关于时间最小可能不确定性的数值主张,如果钟表技术在精度方面取得足够大的进展,就可以检验这一主张。

对于更广泛的量子引力领域而言,这一结果为研究人员提供了一个新的切入点。

他们现在可以探究其他坍缩理论是否也会在时间上留下痕迹,以及这些痕迹是否更接近实验可能达到的结果。 

日常生活中,时间依然精准可靠。手表、GPS,等等。而关于时间究竟是什么的更深层次的问题,也因此变得更加尖锐。

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