قام فريق البحث بالتلاعب بساعات ذرية فائقة الدقة تحبس الأيونات الفردية مثل الألمنيوم واليتربيوم، وتبردها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. من خلال ضرب هذه الأيونات المحتجزة بومضات ليزر، أجبروا الساعات على الدخول في حالات كمومية حيث ينكسر مفهوم معدل دقات ساعة واحد مستمر بالكامل. بدلاً من قياس الزمن بسرعة واحدة متسقة، تشهد ساعة واحدة في حالة تراكب كمومي مرور أنواع متعددة من الزمن في نفس اللحظة - فهي تتقدم في عمرها بشكل أسرع وأبطأ في نفس الوقت. ليس هذا مجرد تجريد فيزيائي نظري. تنتج الآثار من دمج نظرية النسبية لأينشتاين (التي تقول أن الساعات تدق بمعدلات مختلفة حسب السرعة والجاذبية) مع ميكانيكا الكم (التي تقول إن الجسيمات يمكن أن توجد في حالات متعددة في نفس الوقت). أظهر الباحثون في NIST سابقًا أن ساعة تتحرك بسرعة 10 أمتار في الثانية ستتأخر عن ساعة ثابتة بمدة ثانية واحدة بعد 57 مليون سنة. والآن تخيل أن تلك الساعة نفسها موجودة في حالة تراكب لسرعات مختلفة - ستختبر زمنين متزامنين. ذهب الفريق أبعد من ذلك من خلال التلاعب بالفراغ الكمومي نفسه، مما خلق ما يسميه الفيزيائيون "حالات مضغوطة" حيث تظهر موضع الساعة وسرعتها سلوكًا كموميًا نقياً. أوضح غابرييل سورسي، طالب الدكتوراه في ستيفنز الذي عمل على المشروع، أن الساعات الذرية أصبحت حساسة لدرجة أنها تكتشف الفروقات الزمنية الصغيرة الناتجة عن الاهتزازات الحرارية عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. لكن حتى في حالة القاع النظرية مع انعدام الطاقة الحرارية، لا تزال التقلبات الكمومية تؤثر على معدل الدقات. اقترح إيغور بيكوفيسكي، أستاذ مساعد في الفيزياء النظرية في ستيفنز، هذه الفكرة قبل أكثر من عقد من الزمان لكنه كان يفتقر إلى التكنولوجيا لاختبارها. توليد الساعات الذرية وتكنولوجيا التلاعب الكمومي اليوم تجعل التحقق التجريبي ممكنًا أخيرًا. يوفر الإطار النظري المنشور في مجلة Physical Review Letters الأساس الرياضي - والآن تأتي الصعوبة الحقيقية في إثبات هذه التأثيرات في المختبر. يكشف العمل عن شيء عميق فيما يتعلق بنسيج الواقع: الزمن ليس المترونوم الصارم والكوني الذي نختبره في حياتنا اليومية. عند المقاييس الكمومية، يصبح الزمن غامضًا واحتماليًا مثل موضع الجسيم أو زخمها. هذا يتحدي الافتراضات الفيزيائية الكلاسيكية التي تقول إن الزمن يتدفق بشكل موحد لجميع المراقبين، ليحل محلها صورة كمومية حيث يصبح التدفق الزمني نفسه خاضعًا للتراكب والتشابك.
🔬 science
ساعة يدك سريعة وبطيئة في نفس الوقت، العلماء يثبتون ذلك
أظهر الفيزيائيون أن الزمن نفسه يمكن أن يوجد في حالة تراكب كمومي - مما يعني أن ساعة ذرية واحدة يمكن أن تدق بسرعات متعددة في نفس الوقت. هذه الخطوة الثورية من معهد ستيفنز وجامعة ولاية كولورادو وNIST (المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا) تعيد كتابة فهمنا لكيفية تدفق الزمن على المستوى الكمومي.
رأيي
هذا هو نوع الفيزياء الذي يجعل عقلك يؤلم بأفضل طريقة ممكنة. لقد عرفنا منذ زمن أينشتاين أن الزمن نسبي - يجب على الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أن تأخذ في الاعتبار تمدد الزمن وإلا ستكون الملاحة خاطئة بأميال. لكن التحول الكمومي يغير كل شيء. إذا كان الزمن يمكن أن يكون في حالة تراكب، فإن السببية نفسها تصبح احتمالية عند المقاييس الصغيرة. وهذا ليس مثيرًا للاهتمام فلسفيًا فحسب - بل هو تحدٍ أساسي لكيفية فهمنا للسبب والنتيجة في الكون. القصة الحقيقية هنا تتعلق بتقنية التجربة التي تلحق بالنظرية المجنونة. كان بيكوفيسكي قد طرح هذه الفكرة عندما كان أوباما لا يزال رئيسًا، لكن الأدوات لم تكن موجودة لاختبارها. الآن لدينا ساعات ذرية حساسة بما يكفي لاكتشاف الفروقات الزمنية الناتجة عن التقلبات الكمومية في الفراغ. هذا دقة مذهلة. عندما يتم إجراء التجارب الفعلية، قد نكتشف أن الإطار بالكامل لفهم سهم الزمن يحتاج إلى مراجعة. أو قد نجد أن تأثيرات الزمن الكمومية صغيرة جدًا لدرجة أنها لن تهم إلا في مجلات الفيزياء. في كلتا الحالتين، نحن على وشك التعلم شيئًا غريبًا عن الواقع.
ماذا سيحدث بعد ذلك
ستحاول فرق ستيفنز وNIST القيام بالعرض الفعلي في المختبر خلال الـ 12-18 شهرًا القادمة، على الأرجح باستخدام ساعات أيونات اليتربيوم أو الألمنيوم في غرف فراغ محكمة التحكم. الجزء الصعب ليس إنشاء التراكب الكمومي - لقد قاموا بذلك - بل قياس الآثار الزمنية دون انهيار الحالة الكمومية قبل الأوان. توقع منهم استخدام تقنيات قياس غير تدميرية كمومية مستعارة من اكتشاف الموجات الجاذبية لمراقبة معدلات دقات الساعة المتراكبة بشكل غير مباشر. إذا نجحوا، سيفتح ذلك بابًا غريبًا: حواسيب كمومية تستغل التراكب الزمني لإجراء الحسابات. حاليًا، تستخدم الحواسيب الكمومية حالات الجسيمات المتراكبة. لكن إذا كان الزمن نفسه يمكن أن يكون في حالات متعددة، فيمكنك نظريًا إجراء الحسابات عبر مسارات زمنية متعددة في نفس الوقت - ليس فقط معالجة متوازية في الفضاء، ولكن معالجة متوازية في الزمن. هذا غير مؤكد، لكن المنشأة الصينية للبحث الكمومي ستتسابق نحو ذلك بشكل مطلق. لقد ضخت بكين مليارات في علوم الكم، وستكون حاسوب الزمن الكمومي هو أعلى درجات الفخر. خلال خمس سنوات، سنرى ادعاءات متنافسة من مختبرات أمريكية وصينية حول من Harnessed الزمن المتراكب أولاً لأغراض الحساب.