Selv om mye i livet er usikkert, finnes det én størrelse som tilsynelatende styrer alt: tiden.
Til daglig opplever vi tiden som stabil, jevn og med én retning. Den går fremover, og vi har ikke noe valg annet enn å følge med.
Men hva om denne opplevelsen ikke forteller hele historien? En ny studie peker på at tiden kan ha en skjult kvantekarakter som vi hittil ikke har klart å måle.
Et forskerteam beskriver hvordan optiske atomklokker, blant de mest presise klokkene som finnes, kan brukes til å teste om tiden kan oppføre seg på en måte som ligner andre kvantefenomener. Disse klokkene utnytter optiske lysfrekvenser og laser-eksiterte atomer, i stedet for mikrobølgesignaler, og kan derfor måle ekstremt små tidsforskjeller.
Fysiker Igor Pikovski ved Stevens Institute of Technology forklarer at kvanteteorien åpner for et mer uventet bilde av tid.
– Det viser seg at det finnes dypere sider ved tiden som ingen noen gang har erfart, og som heller aldri har blitt målt, sier han til ScienceAlert.
Han beskriver et scenario der tiden ikke nødvendigvis «tikker» med én og samme hastighet.
– Ifølge kvanteteorien kan det finnes situasjoner der tiden ikke bare endrer seg jevnt i én takt. I stedet kan det finnes «mange tider i superposisjon», altså at tiden går med ulike hastigheter samtidig, sier Pikovski.
Hvis det stemmer, kan én enkelt klokke i prinsippet registrere flere tidsforløp samtidig, ikke bare ett slik vi er vant til. Dette er aldri observert direkte, men forskerne mener moderne ionebaserte optiske klokker nå kan være følsomme nok til å lete etter slike effekter.
Fra Newtons «absolutte tid» til Einsteins relativitet
I flere hundre år ble tiden ofte forstått som absolutt, i tråd med Isaac Newtons beskrivelser: en universell størrelse som går uavhengig av alt annet.
Så kom Albert Einstein og viste at tiden ikke er universell. I relativitetsteorien kan tiden gå saktere eller raskere avhengig av bevegelse og gravitasjon.
– Det finnes ingen universell tid, bare det vi kaller egen tid. Hver observatør registrerer sin egen tid, og den kan være forskjellig, forklarer Pikovski.
Han viser til tvillingparadokset som et klassisk eksempel: Én tvilling reiser ut i rommet og tilbake, og kommer hjem yngre enn tvillingen som ble igjen på jorden. Denne typen tidsdilatasjon er et relativistisk fenomen og er godt dokumentert.
Det store spørsmålet: Hva skjer med tid i kvanteverdenen?
Det som fortsatt ikke er testet skikkelig, er hvordan tiden oppfører seg når man nærmer seg et regime der kvantefysikken dominerer. I praksis behandles tiden ofte fortsatt som en «klassisk bakgrunn» også i kvantefysikk, som om den bare går jevnt i én retning.
Pikovski peker på at dette kan være en manglende brikke i moderne fysikk, særlig i forsøket på å forene gravitasjon og kvantefysikk.
– En av de viktigste utfordringene i moderne fysikk er å finne en kvanteteori for gravitasjon. I en slik teori forventer vi at begreper som tid og gravitasjon, som ellers beskrives klassisk, blir fundamentalt kvantemekaniske, sier han.
Optiske klokker som «måleinstrument» for kvantetid
I studien foreslår forskerne flere måter optiske atomklokker kan brukes til å undersøke kvanteeffekter knyttet til tid. To sentrale ideer er superposisjon og sammenfiltring.
Superposisjon innebærer at flere tilstander kan eksistere samtidig. Overført til tid kan det bety at tiden kan ha flere «hastigheter» eller forløp på én gang. Sammenfiltring handler om at to størrelser kan bli koblet slik at de påvirker hverandre på måter som ikke gir mening i klassisk fysikk. Forskerne beskriver hvordan tid og bevegelse i prinsippet kan bli sammenfiltret, slik at de henger tettere sammen enn vi vanligvis antar.
Hvis disse effektene finnes, vil de være ekstremt små. Pikovski og kollegene peker på at forskjellene kan ligge på nivåer i størrelsesorden titalls attosekunder, altså brøkdeler av et sekund som er så små at bare de mest presise optiske atomklokkene kan ha sjanse til å oppdage dem.
Atomklokker brukes allerede til å måle bittesmå relativistiske effekter. Selv en liten høydeforskjell mellom to klokker kan gi målbar tidsdilatasjon fordi gravitasjonen er ørlite svakere høyere oppe. Forskerne mener den samme presisjonen kan bringe kvanteeffekter innen rekkevidde.
Vil «squeezing» gjøre effekten synlig?
Teamet foreslår også å bruke en kvanteteknikk kjent som squeezing. Metoden kan forsterke svært små svingninger i et system. I denne sammenhengen kan det gjøre kvanteoppførselen til atomene i klokken tydeligere, og dermed gjøre mulige kvanteeffekter på tid lettere å oppdage.
Noen av effektene kan ifølge forskerne være målbare med dagens teknologi, mens andre fortsatt er for svake og skjøre til at man kan observere dem direkte. Likevel mener de at det som er innen rekkevidde, bør undersøkes.
Kan gi nye svar om virkeligheten
Dersom eksperimenter med optiske atomklokker faktisk skulle gi bevis for at tid kan oppføre seg kvantemekanisk, vil det være et viktig gjennombrudd. Det kan gi fysikerne en ny måte å studere grenseflaten mellom relativitet og kvantefysikk på, og bidra til dypere forståelse av hva tid egentlig er.
– Jeg tror dette kan gi oss hint og eksperimentelle innspill som viser at våre hverdagslige forestillinger om virkeligheten kan være misvisende. Kvanteteorien er ikke bare rar, den antyder også en helt annen grunnstruktur i universet enn det daglig erfaring tilsier, sier Pikovski.
Studien er publisert i Physical Review Letters.
