W fizyce czas jest zwykle uważany za czwarty wymiar, ale niektórzy fizycy spekulują, że może być wynikiem fizycznego procesu, takiego jak tykanie wbudowanego zegara. Jeśli wszechświat ma taki elementarny zegar, musi on tykać szybciej niż kwintyliard razy na sekundę ((10(do 33) – jedynka i 33 zera w zapisie dziesiętnym), zgodnie z badaniem teoretycznym opublikowanym w Physical Review Letters.
W fizyce cząstek małe cząstki fundamentalne mogą osiągnąć dane właściwości poprzez interakcje z innymi cząsteczkami lub polami. Cząsteczki nabierają masy na przykład poprzez interakcję z polem Higgsa, rodzajem melasy, która przenika całą przestrzeń.
Być może cząsteczki mogą też doświadczać czasu, wchodząc w interakcje z podobnym typem pola – twierdzi fizyk Martin Bojowald. To pole może oscylować (wahać się i drgać), a każdy taki cykl służy jako zwykły „tik” – tak, jak w zwykłych tradycyjnych zegarach – uważa Bojowald, współautor badania.
Czas dla fizyków wciąż jest nieodgadnioną zagadką, a dwie kluczowe teorie fizyki kłócą się ze sobą w kwestii sposobu jego definiowania. W mechanice kwantowej, która opisuje maleńkie atomy i cząstki, „czas po prostu istnieje, jest tłem” – mówi fizyk Flaminia Giacomini z Perimeter Institute w Waterloo w Kanadzie.
Ale w ogólnej teorii względności, która opisuje grawitację, czas zmienia się w dziwny sposób. Zegar w pobliżu masywnego obiektu tyka wolniej niż inny umiejscowiony dalej od niego. Zegar na powierzchni Ziemi opóźnia się w porównaniu na przykład z zegarem na pokładzie orbitującego satelity.
Próbując połączyć te dwie teorie w jedną – teorię grawitacji kwantowej – problem opisania czasu okazuje się „istotnie dość ważny” – mówi Giacomini, która nie była zaangażowana w badania.
Badanie różnych mechanizmów czasu, w tym zegarów fundamentalnym, może pomóc fizykom sformułować nową teorię.
Badacze wzięli pod uwagę wpływ, jaki zegar fundamentalny wywarłby na zachowanie zegarów atomowych, najbardziej precyzyjnych zegarów, jakie kiedykolwiek stworzono. Gdyby zegar fundamentalny tykał zbyt wolno, zegary atomowe byłyby zawodne, ponieważ nie zsynchronizowałyby się z zegarem fundamentalnym.
W rezultacie zegary atomowe tykały w nieregularnych odstępach czasu, jak metronom, który nie może utrzymać stałego rytmu. Ale do tej pory zegary atomowe były wysoce niezawodne, co pozwoliło Bojowaldowi i jego współpracownikom określić szybkość, z jaką zegar fundamentalny musi tykać – o ile istnieje.
Fizycy uważają, że istnieje ostateczny limit podziału sekundy. Fizyka kwantowa nie dopuszcza odcinka czasu krótszego niż około 10(do -43) sekundy, okresu zwanego czasem Plancka. Jeśli istnieje fundamentalny zegar wszechświata, czas Plancka może być rozsądnym tempem dla jego odmierzenia.
Aby przetestować ten pomysł, naukowcy musieliby zwiększyć swój aktualny limit tykania zegara – tak aby był w stanie tykać kwintyliard razy na sekundę. To wydaje się ogromną luką, ale dla niektórych fizyków jest nieoczekiwanym odkryciem.
– Jest to teoria zaskakująca zbliżona do reżimu Plancka – mówi fizyk Bianca Dittrich. Uważa jednak, że prawdopodobnie nie ma jednego podstawowego zegara we wszechświecie, ale raczej istnieje wiele różnych procesów, które można by wykorzystać do pomiaru czasu.
Jednak nowy wynik jest bliższy czasowi Plancka niż eksperymenty z największym na świecie akceleratorem cząstek, Wielkim Zderzaczem Hadronów – mówi Bojowald.
W przyszłości jeszcze bardziej precyzyjne zegary atomowe mogą dostarczyć dalszych informacji o tym, co wpływa na czas we wszechświecie.