Идеальные часы — это просто удобная выдумка, как показали теоретики из Варшавского университета (UW) и Университета Ноттингема (UN). В исследовании, опубликованном в журнале Classical and Quantum Gravity, они демонстрируют, что в системах, движущихся с огромным ускорением, создание часов, которые точно измеряли бы ход времени, невозможно по фундаментальным причинам.«В обеих теориях относительности, специальной и общей, молчаливо предполагается, что всегда можно сконструировать идеальные часы — такие, которые будут точно измерять время, прошедшее в системе, независимо от того, находится ли система в состоянии покоя или "равномерная скорость или ускорение. Однако оказывается, что когда мы говорим о действительно быстрых ускорениях, этот постулат просто неприменим", — говорит д-р Анджей Драган с физического факультета Варшавского университета.
Простейшие часы — это нестабильные элементарные частицы, например мюоны (частицы со свойствами, подобными электронам, но в 200 раз более массивными). Обычно мюоны распадаются на электрон, мюонное нейтрино и электронный антинейтрино. Измеряя времена распада и усредняя результаты для мюонов, движущихся медленно и со скоростью, близкой к скорости света, мы можем наблюдать знаменитое замедление течения времени: чем быстрее движутся мюоны, тем меньше вероятность того, что экспериментатор увидеть их распад.
Таким образом, скорость влияет на наблюдаемый темп часов.А как насчет разгона? В конце 1970-х годов в ЦЕРНе проводились эксперименты по измерению времени распада мюонов, испытывающих ускорение кругового движения, даже в миллиарды миллиардов раз превышающее ускорение силы тяжести Земли (10-18 g).
Было обнаружено, что такое ускорение не влияет на время дезинтеграции.С другой стороны, группа польско-британских теоретиков из университетов Варшавы и Ноттингема занималась описанием нестабильных частиц, движущихся с ускорением по прямой. Ключевым моментом для их анализа оказался захватывающий эффект, предсказанный в 1976 году канадским физиком Уильямом Унру.
«Вопреки интуиции, концепция частицы не полностью независима от наблюдателя. Мы все знаем, например, эффект Доплера, который заставляет фотон, испускаемый движущимся источником, казаться более голубым для наблюдателя, к которому приближается источник, но краснее к тому, от чего он удаляется.
Эффект Унру в чем-то похож, за исключением того, что результаты более впечатляющие: в определенной области пространства неускоряющийся наблюдатель видит квантовый полевой вакуум, тогда как ускоряющийся наблюдатель видит множество частиц, "объясняет доктор Драган.Уравнение, описывающее эффект Унру, гласит, что количество видимых частиц в квантовом поле меняется в зависимости от ускорения, испытываемого наблюдателем: чем больше ускорение, тем их больше. Эти неинерционные эффекты могут быть вызваны движением наблюдателя, но их источником также может быть гравитационное поле. Интересно, что эффект Унру очень похож на знаменитое излучение Хокинга, испускаемое черными дырами.
Неустойчивые частицы, которые физики из Варшавского и Ноттингемского университетов рассматривали как фундаментальные часы в своем анализе, распадаются в результате взаимодействия с другими квантовыми полями. Теория гласит, что если такая частица остается в пространстве, заполненном вакуумом, она распадается с другой скоростью, чем в непосредственной близости от многих других частиц, взаимодействующих с ней. Таким образом, если в системе экстремального ускорения в результате эффекта Унру можно увидеть больше частиц, то среднее время распада таких частиц, как мюоны, должно измениться.«Наши расчеты показали, что помимо некоторых очень больших ускорений в распаде элементарных частиц просто должны быть временные нарушения.
И если возмущения затронут фундаментальные часы, такие как мюоны, то любое другое устройство, построенное на принципах квантовой теории поля, также будет нарушено. «Следовательно, совершенно точные измерения собственного времени больше невозможны. Этот факт имеет дополнительные последствия, потому что потеря способности точно измерять течение времени также означает проблемы с измерением расстояния», — объясняет д-р Драган.
До сих пор предполагалось, что концепции времени и пространства могут потерять свой традиционный смысл только тогда, когда определенные явления, предсказанные гипотетическими теориями квантовой гравитации, начнут играть жизненно важную роль. Считается, что в окрестностях Большого взрыва преобладали необходимые условия.«В нашей статье мы показываем, что для возникновения проблем с измерением пространства-времени такие экстремальные условия вообще не нужны.
Время и, следовательно, пространство, скорее всего, перестают быть точно измеряемыми даже в сегодняшней Вселенной, при условии, что мы попробуйте проводить измерения в системах, движущихся с большим ускорением », — отмечает д-р Драган.Результаты физиков из Варшавы и Ноттингема означают, что при достаточно высоких ускорениях операционные возможности любой теории, построенной на понятии времени, а следовательно, и пространства, будут нарушены. Это вызывает интересные вопросы. Если в чрезвычайно ускоряющихся системах мы не можем построить часы, которые точно измеряют время, является ли это исключительно фундаментальным недостатком наших методов измерения?
Или, может быть, что-то происходит непосредственно с самим временем? И имеют ли свойства, которые невозможно точно измерить, вообще физический смысл?
Современные ускорители могут ускорять частицы с ускорениями на несколько порядков выше, чем в экспериментах 70-х годов. Таким образом, сегодня мы можем проводить эксперименты, в которых эффект Унру должен быть виден — и поэтому изменения времени распада частиц, вызванные ускорением, также должны быть заметны.
Таким образом, выводы польско-британской группы физиков об идеальных часах вскоре будут проверены.«Если наши предсказания подтвердятся экспериментально, многие вещи, связанные с нашим пониманием пространства-времени, течения времени и методов его измерения, придется переосмыслить с нуля.
Это может быть … интересно», — заключает доктор Драган. улыбка.