שעונים אטומיים מזהים סופרפוזיציה קוונטית של זמן בפעם הראשונה
צוות בינלאומי של חוקרים פיתח מסגרת תיאורטית המאפשרת לשעונים אטומיים ליונים כלואים למדוד סופרפוזיציה קוונטית של זמן, תופעה שבה זרימות זמניות שונות מתקיימות במקביל בקנה מידה קוונטי. המודל נוצר על ידי מדענים מאוניברסיטת קיושו, המכון הטכנולוגי של סטיבנס, אוניברסיטת ווטרלו, המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, אוניברסיטת קולורדו סטייט ואוניברסיטת שטוקהולם. התגלית סוללת את הדרך לאימות נסיונית של אחת התעלומות הגדולות ביותר של הפיזיקה המודרנית: האינטראקציה בין תורת היחסות ומכניקת הקוונטים.
עד כה, אף ניסוי לא אישר את קיומה של “אינטראקציה של זמן” זו בין שני עמודי התווך של הפיזיקה העכשווית. החוקרים אומרים שהשלב הבא כרוך בהוכחת המושג במסגרת מעבדה, מה שעשוי לחולל מהפכה בהבנת הזמן והכבידה שלנו.
דיוק מהפכני ביונים כלואים
שעונים אטומיים קונבנציונליים פועלים על ידי ניטור התדירות של אטומים מסוימים, ומשיגים דיוק חסר תקדים במדידות זמניות. התצורות המתקדמות ביותר של יונים לכודים מדגימות רגישות כה קיצונית עד שהן יכולות לזהות את הרחבת הזמן שחזה אלברט איינשטיין בהפרשי גובה של כמה מילימטרים.
הצוות הציע טכניקה חדשה לשליטה בתנועת השעונים הללו, מה שמצביע על שיפור ברגישות להשפעה הקוונטית של פי 100 עד 1000 בהשוואה לשיטות קודמות. ג’ושוע פו, פרופסור חבר במכון למחקר מתקדם של אוניברסיטת קיושו ואחד הכותבים הראשיים של המחקר, הסביר את המנגנון הבסיסי:
- תנועת השעון האטומי משתלבת באנרגיה הפנימית שלו
- הסתבכות גורמת לשעון לאבד תכונות קוונטיות הניתנות לזיהוי
- טכניקות מודרניות יכולות לתעד שינויים אלה ברגישות חדשה
- המסגרת מאפשרת לך לכמת זרימות זמן שונות בו זמנית
זמן קוונטי מול זמן מקרוסקופי
בעולם הנצפה, הזמן זורם ללא הרף בכיוון אחד. איינשטיין הוכיח שכוח המשיכה והמהירות משנים את קצב הזרימה הזמנית, אך תורת היחסות שלו הניחה שבקנה מידה מקרוסקופי “חץ הזמן” הזה נשאר קבוע. ביקום הקוונטי, לעומת זאת, המציאות שונה בתכלית. זמן יכול להתקיים בסופרפוזיציה, מצב שבו זרימות זמניות מרובות מתקיימות במקביל באותו רגע. תכונה זו נותרה תיאורטית, ללא הוכחה ניסיונית עד לפיתוח מבנה זה.
פו התייחס למקורות המחקר: “גילינו שתנועת השעון האטומי מסתבכת עם האנרגיה הפנימית שלו. החתימה של הסתבכות זו היא שהשעון עצמו מאבד חלק מתכונותיו הקוונטיות, אותן ניתן לזהות באמצעות טכניקות מודרניות”. הבנת הדינמיקה הזו פתחה אפשרויות חסרות תקדים למדידת תופעות שנחשבו בעבר כבלתי נגישות.
נתיב לחקר כוח הכבידה הקוונטי
אם בדיקות ניסיוניות יאשרו את כדאיות המודל התיאורטי, שעונים אטומיים עלולים להפוך לכלי מחקר עבור תופעות קוונטיות שקודם לכן היה קשה למדידה במדויק. זה כולל שאלות יסוד כמו הטבע הקוונטי של הזמן עצמו, ואולי גם כוח המשיכה במשטר הקוונטי.
פו אמר שהצוות שלו מפתח ניסוי מפורט כדי “להביא את המודל התיאורטי למציאות”. אם יצליחו, מאמצים אלה יספקו נקודות מבט חדשות שאינן מופיעות בגרסה התיאורטית בלבד. החוקר גם הביע עניין בשימוש בשעונים אטומיים המבוססים על המודל החדש כדי לחקור את הכבידה הקוונטית, שתוארה כ”שאלת היסוד האחרת בפיזיקה”.
המסגרת מבססת שעונים אטומיים ככלי קיימא לחקר תופעות מגוונות בעולם הקוונטי. יתר על כן, הוא פותח גבול ניסיוני חדש בפיזיקה בסיסית ומציע נתיב בר-קיימא לשעונים האטומיים של הדור הבא מדויקים יותר. יישומים מעשיים כוללים GPS ומערכות ניווט לווייניות משופרות, עם פוטנציאל לחשוף היבטים נסתרים של היקום הקוונטי.
השלכות על פיזיקה בסיסית
המחקר מייצג התכנסות של תחומים שנשארו באופן היסטורי נפרדים. תורת היחסות ומכניקת הקוונטים, שתי המסגרות התיאורטיות המוצלחות ביותר בפיזיקה, מעולם לא התיישבו לחלוטין בקנה מידה ניסיוני. גישה חדשה זו מציעה נתיב אפשרי לקראת איחוד זה, לפחות בהקשר הספציפי של מדידה זמנית.
החוקרים מציינים שהיכולת למדוד סופרפוזיציה קוונטית של זמן פותחת “גבול ניסיוני חדש בפיזיקה הבסיסית”. הצלחה במאמץ זה עשויה לספק נתונים מכריעים על אופי הכבידה, תופעה שנותרה מסתורית במשטר הקוונטי. אוניברסיטאות ומכוני מחקר בחמש מדינות משתפות פעולה במאמץ זה, המשקף את חשיבות העבודה לקהילה המדעית העולמית.
