物理學中很少有概念像時間本身那樣熟悉或令人著迷。愛因斯坦的相對論顯示時間不是固定的或普遍的。相反，它隨著速度和重力而變化。然而，當科學家將相對論和量子力學結合起來時，情況就變得更加奇怪了。量子理論表明時間本身可以疊加，這意味著它可以同時流得更快和更慢。
一項新發表的研究表明，研究人員可能很快就能在實驗室中測試這個奇怪的想法。題為「光學離子鐘正確計時的量子特性」的文章發表於 2026 年 4 月 20 日。 體檢信。史蒂文斯理工學院的助理教授 Igor Pikovski 領導了這項研究，並與科羅拉多州立大學的 Christian Sanner 和美國國家標準與技術研究所 (NIST) 的 Dietrich Leibfried 領導的實驗小組合作。
原子鐘和量子時間
研究人員探索了先進的原子鐘如何揭示與時間流動相關的隱藏量子效應。根據他們的發現，為下一代時鐘和量子電腦開發的相同技術也可以讓科學家研究時間本身是否按照量子規則運作。
在量子力學中，物體可以同時處於多種狀態。薛丁格的貓說明了這個概念，這是一個思想實驗，在該實驗中，貓在被觀察之前被認為既活著又死了。研究人員認為，隨著時間的推移，類似的事情可能會發生。一個遵循量子規則運動的時鐘可以同時經歷多個時間流動，就像一隻同時年輕和年老的貓一樣。
「時間在量子理論和相對論中扮演著非常不同的角色，」皮科夫斯基說。 “我們已經證明，將這兩個概念結合在一起可以揭示經典物理學無法描述的時間流的隱藏量子特徵。”
量子孿生悖論
相對論已經預測，時間的流逝會根據運動和位置的不同而有所不同。每個時鐘測量自己獨特的時間流。例如，一個以 10 m/s 的速度運行 5700 萬年的時鐘將在一秒鐘內落後於靜止的時鐘。科學家已經使用 NIST 的鋁離子時鐘等高精度設備證實了這種效應。
這種現象通常用「雙胞胎悖論」來解釋，即雙胞胎高速行駛，返回時比留下的雙胞胎年輕。這項新研究將這個想法進一步推向了量子領域。
研究人員想知道單一時鐘在量子疊加時是否可以同時經歷兩種不同的時間速率。根據量子理論，這應該是可能的。皮科夫斯基和他的合作者在十多年前首次提出了這個想法，但當時的效果太微妙，無法透過實驗觀察到。原子鐘技術的進步現在可能會改變這一點。
超冷離子鐘和量子漲落
該團隊專注於 NIST 和科羅拉多州立大學正在開發的離子鐘。這些設備捕獲鋁或鐿等單一離子，將它們冷卻到接近絕對零度的溫度，並用雷射控制它們的量子態。
他們的分析表明，透過將高精度時鐘與俘獲離子量子計算技術相結合，有可能觀察到先前隱藏的時間量子特性。
史蒂文斯理工學院的博士生、該論文的作者之一加布里埃爾·索爾奇 (Gabriel Sorci) 表示：“原子鐘現在非常靈敏，可以檢測到低溫下熱振動引起的微小時間差異。” “但即使在絕對零溫度下，在基態下，原子鐘仍然只會受到量子滴答落的影響。”
研究人員隨後研究了一種更不尋常的可能性。他們提出操縱真空本身，創造“壓縮態”，即位置和速度以不同尋常的方式表現的量子態，而不是冷卻原子。
時鐘同時走得更快、更慢
在這些條件下，研究小組發現可以創造與時間相關的全新量子效應。單一時鐘在與其量子運動糾纏在一起的同時，可以同時走得更快或更慢。
研究人員現在希望透過實驗證明這些效應。
科羅拉多州立大學的桑納說：“我們擁有創造必要擠壓的技術，以及實現離子鐘所需時鐘精度的方法，以便首次觀察這些效應。”
對皮科夫斯基來說，更廣泛的影響力同樣令人興奮。他先前的工作表明，量子技術可以探測單個引力子，即攜帶重力的假設粒子。
“物理學在基礎層面上仍然充滿了謎團。量子技術為我們提供了解開這些謎團的新工具。”
