物理学家正在重新审视量子力学最大的谜题之一：模糊的可能性如何转变为确定的现实。新研究表明，自发的“坍缩”过程——可能与引力有关——可能会微妙地模糊时间本身。这不会影响我们今天使用的时钟，但它揭示了时间所能达到的精确度存在一个隐藏的极限。这些发现为统一量子物理与引力开辟了一条新途径。
如今，在基础问题研究所（FQxI）的支持下，一个国际物理学家团队深入研究了被称为量子坍缩模型的替代解释。他们的研究结果表明，这些观点可能会对时间本身的行为方式产生惊人的影响，包括对时间测量精度的微小限制。这项发表在《物理评论研究》上的研究，还提供了一种可能的方法，用于对照标准量子理论检验这些模型。
“我们所做的就是认真对待坍缩模型可能与引力有关这一观点，”尼古拉·博尔托洛蒂说道，他是意大利罗马恩里科·费米博物馆与研究中心（CREF）的博士生，领导了这项研究。“然后我们提出了一个非常具体的问题：这对时间本身意味着什么？”
自发坍缩与可检验的量子模型
20世纪80年代，研究人员开始发展相关理论，认为波函数坍缩是自发发生的，不需要观察或测量。与主要提供思考相同方程的不同方式的量子力学传统解释不同，这些坍缩模型做出的预测原则上可以通过实验进行检验。
“我们所做的就是认真对待坍缩模型可能与引力有关这一观点。然后我们提出了一个非常具体的问题：这对时间本身意味着什么？”尼古拉·博尔托洛蒂说道。
博尔托洛蒂及其同事卡塔利娜·库尔切亚努、克里斯蒂安·皮西基亚、拉约什·迪奥西和西蒙内·曼蒂研究了这些模型的两个主要版本。一个是迪奥西-彭罗斯模型，该模型长期以来一直提出引力与波函数坍缩之间存在联系。另一个是连续自发定域（CSL）模型。在他们的新工作中，研究人员建立了第二种模型与由引力引起的时空涨落之间的定量关系。
微小的时间不确定性与时钟精度极限
他们的分析表明，如果这些坍缩模型准确地描述了现实，那么时间本身就不可能是完全精确的。相反，它会包含极小程度的内在不确定性。这将为任何时钟可能达到的精度设定一个根本极限。
“一旦你完成了计算，答案既清晰又令人惊讶地令人安心，”博尔托洛蒂说。
重要的是，这种效应太小，不会影响任何现有技术。即使是最先进的原子钟也无法探测到它。“这种不确定性比我们目前能测量的任何事物都要低好几个数量级，因此它对日常计时没有任何实际影响，”库尔切亚努说。“我们的结果明确表明，现代计时技术完全不受影响，”皮西基亚补充道。
量子力学、引力与时间的本质
几十年来，物理学家一直试图将量子力学与引力统一起来。每种理论在其各自的领域内都非常有效。量子力学描述微观尺度上粒子的行为，而广义相对论则解释了引力如何塑造宇宙的大尺度结构，包括恒星和星系。然而，这两个框架对待时间的方式截然不同。
“在标准量子力学中，时间被视为一个外部的经典参数，不受被研究量子系统的影响，”库尔切亚努解释道。相比之下，广义相对论将时间描述为在质量和能量的影响下可以拉伸和弯曲的东西。
“这种不确定性比我们目前能测量的任何事物都要低好几个数量级，因此它对日常计时没有任何实际影响，”卡塔利娜·库尔切亚努说道。
基于量子力学可能是更深层次理论一部分的早期观点，这项新研究指出了量子行为、引力和时间本身的流动之间可能存在的联系。
库尔切亚努强调了在物理学中探索非传统观点的重要性。“世界上没有多少基金会支持关于宇宙、空间、时间和物质这类基本问题的研究，”库尔切亚努说。“我们的工作表明，即使是关于量子力学的激进观点也可以通过精确的物理测量来检验，而且令人安心的是，计时仍然是现代物理学最稳定的支柱之一。”
这项工作得到了FQxI“物理世界中的意识”项目的部分支持。您可以在FQxI的文章《我们能感受量子的状态吗？》（作者布伦丹·福斯特）中阅读有关该团队资助的更多信息。