宇宙中存在一个基本时钟？

Daphane

文章来源：原理


在物理学中，时间可被认为是第四维度。它是一个令人困惑的概念，物理学中的两个最为重要的理论在如何定义时间上有着根本性的冲突。　　描述微观粒子世界的量子力学认为，时间是固定的，它是普适且绝对的，就像是一个不会发生更改的背景。但在描述引力的广义相对论中，时间是“可塑的”，它能以奇怪的方式变化，位于引力场不同位置的时钟会以不同的速度“摆动”。例如当靠近大质量物体时，时钟“摆动”的速度会变慢，而这并不只是一种“奇怪的学说”，在地球表面的时钟的确滞后于处于轨道卫星上的时钟。
　　当物理学家们试图将这两个理论结合成量子引力理论时，他们必须调和这两种对时间的描述。有的物理学家认为，要调和这种矛盾，或许我们不能将时间看成是连续的存在，而是离散的时间周期。
　　这一想法与粒子物理学中，基本粒子的特性可通过与其他粒子或场发生相互作用而获得的概念类似。比如在宇宙的空间中，处处都弥漫着希格斯场，粒子通过与希格斯场发生相互作用，就能获得质量。那么有没有可能粒子通过与某种会周期性振荡的场发生相互作用，而体验到了时间？其中振荡的场的振荡周期就像一次有规律的“滴答”声，宛如现实世界中会摆动的时钟那样。
　　物理学家猜想，如果真的有这样一个基本时钟在我们的宇宙中为整个宇宙计时的话，那么它滴答转动的速度一定非常快。而且与希格斯场一样，它或许还有可能与物质相互作用，改变物理现象。
　　然而对于这样一个基本时钟，物理学家还缺乏一个可用于描述它的理论，同时他们至今仍未能参透时间的本质。因此，研究包括基本时钟在内的不同时间机制，是帮助物理学家制定新理论的关键。
　　在一项新的研究中，物理学家将这个宇宙时钟想象成了一个量子振荡器，并对它的振荡周期进行了推导。他们得出的结果认为，如果宇宙中确实有这样一个基本时钟，那么它的滴答频率必须超过每秒10³³次。这一结果被发表在了近期的《物理评论快报》上。
　　在新的研究中，研究人员考虑了两个以不同频率振荡的量子振荡器，他们用较快的那个振荡器来代表宇宙的基本时钟，用较慢的振荡器来代表实验室中的可测量系统，比如原子钟中的原子。原子钟是目前最精确的时钟，他们创造一个能将这两个振荡器耦合在一起并发生相互作用的系统，探讨了基本时钟对原子钟可能产生的影响。
　　研究人员发现，这种相互作用会导致两个振荡器慢慢失去同步，使得原子钟都不可能无限期地维持一个恒定的“滴答”周期，而是以不规则的时间间隔运转。这为时钟的精度增添了一个基本的限制。这意味着，如果在这个精度极限下对两个完全相同的原子钟进行测量，就会发现它们的“滴答”声永远无法完全一致。而通过这种行为，研究人员确认：时间有一个基本周期，这个周期是对时间可被分割成的终极极限。
量子物理学禁止任何小于10⁻⁴³秒的时间，这个时间长度被称为普朗克时间，这是物理学家认为的最短的可测量时间长度。如果真的存在一个基本时钟，那么普朗克时间或许会是一个合理的运转节奏。
　　研究人员利用上述的去同步化特性，推导出基本时钟的振荡周期上限为10⁻³³秒，虽然它比普朗克时间大10¹⁰倍，乍看之下，这似乎是一个巨大的差距，但在一些物理学家眼中，这已经非常接近普朗克时间了。
　　我们目前已有的最精确原子时钟的“滴答”周期大约是10⁻³³秒的10¹⁵倍。显然，创建一个这样的时钟远远超出了我们目前技术所能做到的。但利用新研究中的模型，物理学家可以通过时钟间的不同步来测量时间，从而得以在更短的时间尺度上进行测量。
　　此外，选用这种量子振荡系统作为基本时钟模型的另一个好处在于，这样的系统与实验室中使用的时钟非常类似，这些相似性能把基本时间问题带入一个更具象的环境中。未来，更精确的原子钟将能提供更多关于宇宙运转的信息。