Nici z zegara. Polscy fizycy pokazali, że w pewnych warunkach... nie ma czasu

Odpowiedź na pytanie, czy zawsze i wszędzie można precyzyjnie zmierzyć upływ czasu jest negatywna. Fizycy teoretycy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) i Uniwersytetu w Nottingham (UN) pokazali, że pojęcie idealnego zegara to jedynie wygodna fikcja. Udowodnili, że w układach poruszających się z ogromnymi przyspieszeniami zbudowanie zegara, który dokładnie mierzyłby upływający czas, jest z przyczyn fundamentalnych niemożliwe.

Najprostszym zegarem mogą być niestabilne cząstki elementarne, np. miony, które zwykle rozpadają się na elektron, neutrino mionowe oraz antyneutrino elektronowe. Mierząc czasy rozpadu i uśredniając wyniki dla mionów poruszających się wolno oraz z prędkościami bliskimi prędkości światła można zaobserwować m.in. słynną dylatację, spowolnienie upływu czasu: im szybciej poruszają się miony, tym eksperymentator rzadziej zobaczy ich rozpady. Prędkość wpływa więc na obserwowane tempo pracy takich "zegarów".

W końcu lat 70. ubiegłego wieku w CERN przeprowadzono eksperymenty z pomiarami czasu rozpadów mionów poddawanych w ruchu po okręgu przyspieszeniom nawet miliardy miliardów razy większym od przyspieszenia ziemskiego (10^18 g). Żadnego wpływu przyspieszenia na czasy rozpadu wtedy nie stwierdzono.

Polsko-brytyjska grupa teoretyków z UW i UN podjęła się teraz opisu niestabilnych cząstek poruszających się ruchem przyspieszonym po prostej. Czynnikiem o kluczowym znaczeniu okazał się niezwykle ciekawy efekt, przewidziany w 1976 roku przez kanadyjskiego fizyka Williama Unruha.

Wbrew intuicji, pojęcie cząstki nie jest całkowicie niezależne od obserwatora. Wszyscy znamy na przykład efekt Dopplera. Powoduje on, że foton emitowany przez ruchome źródło jest bardziej niebieski według obserwatora, ku któremu źródło się zbliża, a bardziej czerwony według tego, od którego się oddala. Z efektem Unruha jest nieco podobnie, tyle że rezultaty są bardziej spektakularne: w obszarze przestrzeni, w którym według obserwatora niepodlegającego przyspieszeniom znajduje się próżnia pola kwantowego, według innego, przyspieszającego, widać wiele cząstek - wyjaśnia dr hab. Andrzej Dragan z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Równanie opisujące efekt Unruha mówi więc, że liczba cząstek widocznych w obrębie pola kwantowego zmienia się zależnie od przyspieszeń doznawanych przez obserwatora: im większe przyspieszenie, tym jest ich więcej. Te nieinercjalne efekty mogą być wynikiem ruchu obserwatora, ale ich źródłem może być także pole grawitacyjne. Niestabilne cząstki, w rozważaniach fizyków z UW i UN traktowane jako fundamentalne zegary, rozpadają się wskutek oddziaływań z innymi polami kwantowymi. Teoria mówi, że jeśli pojedyncza cząstka przebywa w próżni, rozpada się w innym tempie niż wtedy, gdy w pobliżu jest wiele innych oddziałujących z nią cząstek. Skoro zatem w ekstremalnie przyspieszającym układzie wskutek efektu Unruha widać więcej cząstek, średnie czasy rozpadów cząstek takich jak miony powinny się zmienić.

Nasze obliczenia wykazały, że powyżej pewnych, bardzo dużych przyspieszeń po prostu musi dojść do zaburzeń czasu rozpadu cząstek elementarnych. A jeśli zaburzeniom ulegają tak fundamentalne zegary jak miony, to każde inne urządzenie zbudowane w oparciu o zasady kwantowej teorii pola także będzie zakłócone. Zatem idealnie precyzyjne pomiary czasu własnego przestają być możliwe. Ten fakt ma dalsze konsekwencje, bo utrata możliwości dokładnego mierzenia upływu czasu oznacza problemy także z pomiarami odległości - tłumaczy dr Dragan.

Dotychczas przyjmowano, że pojęcia czasu i przestrzeni mogą tracić swój tradycyjny sens dopiero wtedy, gdy istotną rolę zaczynają odgrywać zjawiska przewidywane przez hipotetyczne teorie grawitacji kwantowej. Przypuszcza się, że niezbędne do tego warunki panowały w okolicach Wielkiego Wybuchu. W naszej publikacji pokazujemy, że aby pojawiły się kłopoty z pomiarami czasoprzestrzeni, tak ekstremalne warunki wcale nie są potrzebne. Czas, a więc i przestrzeń, najprawdopodobniej przestają się dawać mierzyć nawet w dzisiejszym Wszechświecie, pod warunkiem, że pomiary będziemy próbowali przeprowadzać w układach poruszających się z ogromnym przyspieszeniem - zauważa dr Dragan.

Wyniki fizyków z Warszawy i Nottingham oznaczają, że przy dostatecznie dużych przyspieszeniach zaburzeniu ulegają zdolności operacyjne każdej teorii zbudowanej na pojęciu czasu, a więc także i przestrzeni. Wniosek ten rodzi ciekawe pytania. Jeśli w ekstremalnie przyspieszających układach nie można zbudować zegara dokładnie mierzącego czas, czy jest to wyłącznie fundamentalna wada metody pomiaru? A może coś dzieje się bezpośrednio z samym czasem? I czy wielkości, których nie można mierzyć, mają w ogóle fizyczny sens?

Współczesne akceleratory potrafią rozpędzać cząstki z przyspieszeniami kilka rzędów wielkości większymi niż w eksperymentach z lat 70. Już dziś można więc przeprowadzić doświadczenia, w których efekt Unruha powinien być widoczny - a wraz z nim zmiany w czasach rozpadu cząstek wywołane przyspieszeniem. Wnioski polsko-brytyjskiej grupy fizyków dotyczące idealnych zegarów będzie więc można wkrótce zweryfikować.

Albert Einstein do końca życia podejrzliwie przyglądał się mechanice kwantowej. Dopiero po jego śmierci okazało się, że mechanika kwantowa jest poprawna, a on paru rzeczy nie był świadomy. Wyniki które otrzymaliśmy, są oparte o mechanikę kwantową, mogłyby tylko tę jego podejrzliwość zwiększyć - mówi dr Dragan. W rozmowie z RMF FM uspokaja, że wątpliwości dotyczące czasu naszej rzeczywistości nie dotyczą.

^{_{Na podstawie informacji prasowej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.}}