În mecanica cuantică un sistem poate exista într-o suprapunere de stări; acest aspect al mecanicii cuantice are implicaţii asupra ceasurilor atomice, cele care măsoară cu precizie extremă timpul. Combinând teoria relativităţii a lui Einstein cu efectele cuantice se obţine un nou efect: dilatarea cuantică a timpului.

Fizica modernă se bazează pe două teorii extrem de fascinante: fizica cuantică şi teoria relativităţii. Teoria relativităţii, teoria lui Einstein, ne spune care este legătura între spaţiu şi timp pe de o parte şi materia şi energia din Univers. În cadrul acestei teorii timpul măsurat depinde de cine îl măsoară: dacă privim un ceas într-o rachetă care se mişcă foarte repede faţă de noi, timpul pe care îl măsurăm trece mai încet decât cel măsurat de cine stă în rachetă – fenomen ce se numeşte dilatarea timpului. Timpul deci depinde de viteza sistemului în care se află ceasul (şi de câmpul gravitaţional). Teoria cuantică pe de altă parte descrie comportamentul sistemelor microscopice, cum ar fi particulele şi atomii.

La ora actuală pentru măsurarea cu precizie extremă a timpului se folosesc aşa-numitele ceasuri atomice. Acestea folosesc pentru măsurarea timpului frecvenţe din lumea atomică extrem de precise. În lumea atomilor însă este valabilă mecanica cuantică – cu proprietăţile fascinante ale acestei teorii, precum suprapunerea de stări. Despre ce anume este vorba? În cadrul mecanicii cuantice sistemele se pot găsi într-o suprapunere de stări: adică, simplificând, un electron se poate situa şi la stânga şi la dreapta. Este una dintre cele mai fascinante proprietăţi ale sistemelor cuantice, care stă la baza tehnologiilor cuantice precum calculatorul cuantic. Ba mai mult, este o proprietate care dă naştere unei probleme importante în fizica modernă: problema măsurătorii – adică atunci când măsurăm un sistem cuantic nu găsim o suprapunere de stări, sistemul colapsează într-o unică stare! Nu vedem un electron şi la stânga şi la dreapta ci doar într-una din poziţii. Cum se întâmplă acest lucru, care este mecanismul la baza colapsului, esta încă nelămurit în fizică actuală.

Ceasul atomic având la bază un sistem microscopic la rândul lui poate fi într-o suprapunere de stări. Ţinând cont de acest lucru, într-un articol recent publicat în revista Nature Communications au fost studiate implicaţiile acestui fenomen în măsurarea timpului.

Suprapunerea de stări nu este neapărat legată de poziţia sistemului: oricare proprietate a sistemului poate fi într-o suprapunere de stări. Astfel, un ceas atomic se poate deplasa faţă de noi cu o viteză care este într-o suprapunere de stări: adică o suprapunere de viteze. Ceasul deci se mişcă şi mai încet dar şi mai repede în acelaşi timp!

Cum însă măsurarea timpului depinde – ţinând cont de teoria relativităţii a lui Einstein – de viteza cu care se deplasează ceasul faţă de noi, rezultatul măsurătorii este o… suprapunere de timpi. La o viteză mai mică corespunde o durată de timp mai scurtă, în timp ce la viteze mai mari durata de timp creşte. Acest fenomen a fost denumit dilatarea cuantică a timpului. Fenomenul s-ar manifesta ca o corecţie la dilatarea timpului obţinută aplicând doar teoria lui Einstein. Aceasta corecţie este extrem de mică însă există speranţa că va putea fi măsurată. Ce importanţă ar avea un astfel de studiu?

În primul rând ar putea să ajute la găsirea unei noi teorii care combină mecanica cuantică cu teoria relativităţii; la ora actuală nu ştim care este această teorie. Au fost propuse mai multe teorii, precum cea a corzilor (string theory) sau quantum loop, dar nu ştim dacă sunt corecte sau nu. Orice studiu care combină cele două teorii fundamentale ale Universului, precum cel relatat, ne-ar putea ajuta să facem un pas înainte spre o cunoaştere mai profundă ale legilor fizice ce stau la baza Universului.

Într-un viitor mai mult sau mai puţin îndepărtat poate se vor găsi inclusiv aplicaţii practice, aşa cum s-a întâmplat pentru toate teoriile fizice de până acum – de exemplu fenomenul pentru care Einstein a primit premiul Nobel, şi care la ora respectivă părea ceva extrem de bizar (efectul fotoelectric) este folosit în prezent pentru panourile fotovoltaice pentru generarea energiei electrice din lumină Soarelui.

[Articol scris de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesor la Colegiului Naţional “Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe]