Kun aika menee sekaisin: kvanttikellojen uusi aika
Entä jos kello voisi tikittää sekä nopeasti että hitaasti samaan aikaan? Kuulostaa hullulta, mutta kvanttimekaniikka saattaa tehdä siitä totta.
Einstein jo näytti, että aika ei ole vakio. Se venyy ja supistuu riippuen nopeudesta ja painovoimasta. Nyt tutkijat haluavat viedä asian pidemmälle. He kysyvät, voiko aika noudattaa kvanttimekaniikan sääntöjä – eli voiko kello olla useassa aikataajuudessa yhtä aikaa.
Aika ei ole se, miltä se näyttää
Päivittäisessä elämässä aika tuntuu kulkevan tasaisesti. Mutta Einsteinin suhteellisuusteoria paljasti, että näin ei ole. Nopeasti liikkuva kello vanhenee hitaammin kuin paikallaan oleva. Painovoima hidastaa aikaa.
Tätä on jo mitattu. Jos liikkuisit 10 metrin sekuntivauhdilla 57 miljoonaa vuotta, olisit sekunnin nuorempi kuin ihminen, joka ei liikkunut. Ero on pieni, mutta mitattavissa. Atomikellot ovat tarpeeksi tarkkoja siihen.
Klassinen kaksoisparadoksi kuvaa samaa asiaa: avaruusmatkailija palaa nuorempana kotiin kuin kaksoisveljensä.
Kvanttimekaniikka ja aika
Kvanttimekaniikka tekee ajasta entistä oudomman. Se sanoo, että hiukkaset voivat olla samanaikaisesti monessa tilassa. Tutkijat kysyvät nyt: voiko aika tehdä samoin?
Voiko kello olla sekä vanha että nuori yhtä aikaa? Superpositiossa? Igor Pikovski ja hänen tiiminsä Stevens Institute of Technologysta, Colorado State Universitystä ja NIST:stä uskovat, että kyllä.
Pikovski kuvaa tätä näin: "Aika toimii eri tavoin kvanttimekaniikassa ja suhteellisuusteoriassa. Kun yhdistämme nämä kaksi, voimme paljastaa ajan kulun kvanttiominaisuuksia, joita klassinen fysiikka ei voi selittää."
Uudet kelloja avaavat ovet
Ajatus ei ole uusi. Pikovski esitti sen jo yli kymmenen vuotta sitten. Mutta silloin kelloja ei ollut vielä tarpeeksi tarkkoja. Nyt tilanne on muuttunut.
Ionikellot ovat avain. Niissä pidetään yhtä atomia – esimerkiksi alumiinia tai ytterbiumia – hyvin matalassa lämpötilassa ja käytetään lasersia ohjaamaan sen tilaa. Näitä kelloja kehitetään myös kvanttitietokoneille.
Gabriel Sorci, joka osallistuu tutkimukseen, sanoo: "Atomikellot ovat jo niin tarkkoja, että ne havaitsevat lämpötilan aihevalmiat eroja. Mutta jopa absoluuttisessa nollassa aika tickittää kelloessa vaikuttaa kvanttiliikkeellä."
Kun aika voi superposoitua
Tutkijat ehdottavat myös "puristettuja tiloja" quantum tyhjiössä. Tässä tilan ja nopeuden suhde muuttuu oudoksi. Kello voisi tikittää molempiin suuntiin samanaikaisesti. Se voisi sotkeutua omaan liikkeeseensa. Aika voisi olla superpositiota.
Tämä on nyt mitattavissa. Colorado State Universityn Sanner sanoo, "Teknologia on valmis. Ja kellojen tarkkuus on jo riittävä, että voimme ensimmäistä kertaa nähdä näitä vaikutuksia."
Miksi tämä kaikki kiinnostaa
Se, että viemme suhteellisuusteoriaa ja kvanttimekaniikkaa yhteen, ei ole vain teoreettinen haaste. Se tarkoittaa, että voimme nyt tarkkailla niiden yhdistymistä suoraan.
Pikovski on aikaisemmin osoittanut, että kvanttianturit voivat mahdollisesti havaita gravitoneja – painovoiman kantajia. Tämä ei ole vain ajan rehellinen tutkiminen.