為整個宇宙計時的時鐘存在嗎? *環球科學 *

基本時鐘

在物理學中,時間可被認為是第四維度。 它是一個令人困惑的概念,物理學中的兩個最為重要的理論在如何定義時間上有著根本性的衝突。

描述微觀粒子世界的量子力學認為,時間是固定的,它是普適且絕對的,就像是一個不會發生更改的背景。 但在描述引力的廣義相對論中,時間是“可塑的”,它能以奇怪的方式變化,位於引力場不同位置的時鐘會以不同的速度“擺動”。 例如當靠近大質量物體時,時鐘“擺動”的速度會變慢,而這並不只是一種“奇怪的學說”,在地球表面的時鐘的確滯後於處於軌道衛星上的時鐘。

當物理學家們試圖將這兩個理論結合成量子引力理論時,他們必須調和這兩種對時間的描述。 有的物理學家認為,要調和這種矛盾,或許我們不能將時間看成是連續的存在,而是離散的時間週期。

這一想法與粒子物理學中,基本粒子的特性可通過與其他粒子或場發生相互作用而獲得的概念類似。 比如在宇宙的空間中,處處都瀰漫著希格斯場,粒子通過與希格斯場發生相互作用,就能獲得質量。 那麼有沒有可能粒子通過與某種會周期性振蕩的場發生相互作用,而體驗到了時間? 其中振蕩的場的振盪週期就像一次有規律的“滴答”聲,宛如現實世界中會擺動的時鐘那樣。

物理學家猜想,如果真的有這樣一個基本時鐘在我們的宇宙中為整個宇宙計時的話,那麼它滴答轉動的速度一定非常快。 而且與希格斯場一樣,它或許還有可能與物質相互作用,改變物理現象。

量子振盪

然而對於這樣一個基本時鐘,物理學家還缺乏一個可用於描述它的理論,同時他們至今仍未能參透時間的本質。 因此,研究包括基本時鐘在內的不同時間機制,是幫助物理學家製定新理論的關鍵。

 在一項新的研究中,物理學家將這個宇宙時鐘想像成了一個量子振盪器,並對它的振盪週期進行了推導。 他們得出的結果認為,如果宇宙中確實有這樣一個基本時鐘,那麼它的滴答頻率必須超過每秒10³³次。 這一結果被發表在了近期的《物理評論快報》上。

在新的研究中,研究人員考慮了兩個以不同頻率振蕩的量子振盪器,他們用較快的那個振盪器來代表宇宙的基本時鐘,用較慢的振盪器來代表實驗室中的可測量 系統,比如原子鐘中的原子。 原子鐘是目前最精確的時鐘,他們創造一個能將這兩個振盪器耦合在一起並發生相互作用的系統,探討了基本時鐘對原子鐘可能產生的影響。

 研究人員發現,這種相互作用會導致兩個振盪器慢慢失去同步,使得原子鐘都不可能無限期地維持一個恆定的“滴答”週期,而是以不規則的時間間隔運轉。 這為時鐘的精度增添了一個基本的限制。 這意味著,如果在這個精度​​極限下對兩個完全相同的原子鐘進行測量,就會發現它們的“滴答”聲永遠無法完全一致。 而通過這種行為,研究人員確認:時間有一個基本週期,這個週期是對時間可被分割成的終極極限。

時間基本週期

量子物理學禁止任何小於10⁻⁴³秒的時間,這個時間長度被稱為普朗克時間,這是物理學家認為的最短的可測量時間長度。 如果真的存在一個基本時鐘,那麼普朗克時間或許會是一個合理的運轉節奏。

研究人員利用上述的去同步化特性,推導出基本時鐘的振盪週期上限為10⁻³³秒,雖然它比普朗克時間大10¹⁰倍,乍看之下,這似乎是一個巨大的差距,但在 一些物理學家眼中,這已經非常接近普朗克時間了。

我們目前已有的最精確原子時鐘的“滴答”週期大約是10⁻³³秒的10¹⁵倍。 顯然,創建一個這樣的時鐘遠遠超出了我們目前技術所能做到的。 但利用新研究中的模型,物理學家可以通過時鐘間的不同步來測量時間,從而得以在更短的時間尺度上進行測量。

 此外,選用這種量子振盪系統作為基本時鐘模型的另一個好處在於,這樣的系統與實驗室中使用的時鐘非常類似,這些相似性能把基本時間問題帶入一個更具象的環境中。 未來,更精確的原子鐘將能提供更多關於宇宙運轉的信息。

為整個宇宙計時的時鐘存在嗎?環球科學 
/作者二宗主
參考來源:https://physics.aps.org/articles/v13/99https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.241301https://www.livescience.com/what-are-  smallest-ticks-of-time.htmlhttps://www.sciencenews.org/article/time-universe-fundamental-cosmic-clock