În mecanica cuantică un sistem poate exista într-o suprapunere de stări; acest aspect al mecanicii cuantice are implicații asupra ceasurilor atomice, cele care măsoara cu precizie extremă timpul.

Combinand teoria relativitatii a lui Einstein cu efectele cuantice se obtine un nou efect: dilatarea cuantica a timpului.

Fizica moderna se bazeaza pe doua teorii extrem de fascinante: fizica cuantica si teoria relativitatii. Teoria relativitatii, teoria lui Einstein, ne spune care este legatura intre spatiu si timp pe de o parte si materia si energia din Univers. In cadrul acestei teorii timpul masurat depinde de cine il masoara: daca privim un ceas intr-o racheta care se misca foarte repede fata de noi, timpul pe care il masuram trece mai incet decat cel masurat de cine sta in racheta – fenomen ce se numeste dilatarea timpului.

Timpul deci depinde de viteza sistemului in care se afla ceasul (si de campul gravitational). Teoria cuantica pe de alta parte descrie comportamentul sistemelor microscopice, cum ar fi particulele si atomii.

La ora actuala pentru masurarea cu precizie extrema a timpului se folosesc asa-numitele ceasuri atomice. Acestea folosesc pentru masurarea timpului frecvente din lumea atomica extrem de precise. In lumea atomilor insa este valabila mecanica cuantica – cu proprietatile fascinante ale acestei teorii, precum suprapunerea de stari. Despre ce anume este vorba?

In cadrul mecanicii cuantice sistemele se pot gasi intr-o suprapunere de stari: adica, simplificand, un electron se poate situa si la stanga si la dreapta. Este una dintre cele mai fascinante proprietati ale sistemelor cuantice, care sta la baza tehnologiilor cuantice precum calculatorul cuantic. Ba mai mult, este o proprietate care da nastere unei probleme importante in fizica moderna: problema masuratorii – adica atunci cand masuram un sistem cuantic nu gasim o suprapunere de stari, sistemul colapseaza intr-o unica stare!

Nu vedem un electron si la stanga si la dreapta ci doar intr-una din pozitii. Cum se intampla acest lucru, care este mecanismul la baza colapsului, esta inca nelamurit in fizica actuala.

Ceasul atomic avand la baza un sistem microscopic la randul lui poate fi intr-o suprapunere de stari. Tinand cont de acest lucru, intr-un articol recent publicat in revista Nature Communications au fost studiate implicatiile acestui fenomen in masurarea timpului.

Suprapunerea de stari nu este neaparat legata de pozitia sistemului: oricare proprietate a sistemului poate fi intr-o suprapunere de stari. Astfel, un ceas atomic se poate deplasa fata de noi cu o viteza care este intr-o suprapunere de stari: adica o suprapunere de viteze. Ceasul deci se misca si mai incet dar si mai repede in acelasi timp!

Cum insa masurarea timpului depinde – tinand cont de teoria relativitatii a lui Einstein – de viteza cu care se deplaseaza ceasul fata de noi, rezultatul masuratorii este o….suprapunere de timpi. La o viteza mai mica corespunde o durata de timp mai scurta, in timp ce la viteze mai mari durata de time creste.

Acest fenomen a fost denumit dilatarea cuantica a timpului. Fenomenul s-ar manifesta ca o corectie la dilatarea timpului obtinuta aplicand doar teoria lui Einstein. Aceasta corectie este extrem de mica insa exista speranta ca va putea fi masurata. Ce importanta ar avea un astfel de studiu?

In primul rand ar putea sa ajute la gasirea unei noi teorii care combina mecanica cuantica cu teoria relativitatii; la ora actuala nu stim care este aceasta teorie. Au fost propuse mai multe teorii, precum cea a corzilor (string theory) sau quantum loop, dar nu stim daca sunt corecte sau nu. Orice studiu care combina cele doua teorii fundamentale ale Universului, precum cel relatat, ne-ar putea ajuta sa facem un pas inainte spre o cunoastere mai profunda ale legilor fizice ce stau la baza Universului.

Într-un viitor mai mult sau mai putin indepartat poate se vor gasi inclusiv aplicatii practice, asa cum s-a intimplat pentru toate teoriile fizice de pana acum – de exemplu fenomenul pentru care Einstein a primit premiul Nobel, si care la ora respectiva parea ceva extrem de bizar (efectul fotoelectric) este folosit in prezent pentru panourile fotovoltaice pentru generarea energiei electrice din lumina Soarelui.

 

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro