一个国际研究小组开发了一个理论框架，允许捕获离子原子钟测量时间的量子叠加，这是一种不同时间流在量子尺度上同时共存的现象。该模型由九州大学、史蒂文斯理工学院、滑铁卢大学、国家标准与技术研究所、科罗拉多州立大学和斯德哥尔摩大学的科学家创建。这一发现为通过实验验证现代物理学最大的谜团之一：相对论和量子力学之间的相互作用铺平了道路。
到目前为止，还没有实验证实当代物理学两大支柱之间存在这种“时间相互作用”。研究人员表示，下一步涉及在实验室环境中证明这一概念，这可能会彻底改变我们对时间和重力的理解。
捕获离子的革命性精度
传统的原子钟通过监测某些原子的频率来工作，从而在时间测量中实现前所未有的精度。最先进的捕获离子配置表现出极高的灵敏度，以至于它们可以在几毫米的高度差下检测到阿尔伯特·爱因斯坦预测的时间膨胀。
该团队提出了一种控制这些时钟运动的新技术，表明与以前的方法相比，对量子效应的灵敏度提高了 100 至 1000 倍。该研究的主要作者之一、九州大学高等研究院副教授 Joshua Foo 解释了这一基本机制：
- 原子钟的运动与其内部能量交织在一起
- 纠缠导致时钟失去可检测的量子特性
- 现代技术可以以新的灵敏度记录这些变化
- 该框架允许您量化不同的同时时间流
量子时间与宏观时间
在可观察的世界中，时间无情地朝一个方向流动。爱因斯坦证明重力和速度会改变时间流动的速率，但他的相对论假设在宏观尺度上这个“时间之箭”保持不变。然而，在量子宇宙中，现实却截然不同。时间可以叠加存在，即多个时间流在同一时刻共存的状态。在这种结构的发展之前，这种性质仍然是理论上的，没有实验证明。
Foo 评论了这项研究的起源：“我们发现原子钟的运动与其内部能量纠缠在一起。这种纠缠的特征是原子钟本身失去了一些量子特性，而这些特性可以用现代技术检测到。”了解这种动态为测量以前认为无法实现的现象开辟了前所未有的可能性。
探索量子引力之路
如果实验测试证实了理论模型的可行性，原子钟可能成为以前难以精确测量的量子现象的研究工具。这包括一些基本问题，例如时间本身的量子性质，以及量子体系中潜在的引力。
Foo 表示，他的团队正在开发一项详细的实验，以“将理论模型变为现实”。如果成功，这些努力将提供纯理论版本中未出现的新观点。研究人员还表示有兴趣使用基于新模型的原子钟来探测量子引力，这被称为“物理学中的另一个基本问题”。
该框架将原子钟确立为探索量子世界中各种现象的可行工具。此外，它开辟了基础物理学的新实验前沿，并为获得更精确的下一代原子钟提供了一条可行的途径。实际应用包括高精度 GPS 和卫星导航系统，有可能揭示量子宇宙的隐藏方面。
对基础物理学的影响
这项研究代表了历史上一直相互独立的领域的融合。相对论和量子力学是物理学中最成功的两个理论框架，但从未在实验规模上完全协调一致。这种新方法至少在时间测量的特定背景下提供了实现这种统一的可能途径。
研究人员指出，测量时间的量子叠加的能力开辟了“基础物理学的新实验前沿”。这项努力的成功可以提供有关引力本质的重要数据，这种现象在量子领域仍然是神秘的。五个国家的大学和研究机构合作开展这项工作，反映了这项工作对全球科学界的重要性。