Naukowcy z King's College London opracowali nowe, rewolucyjne równania matematyczne, które umożliwiają precyzyjne odmierzanie czasu za pomocą sekwencji zdarzeń losowych. To odkrycie stanowi wyzwanie dla tradycyjnych metod pomiaru czasu i otwiera nowe możliwości w dziedzinach takich jak biologia komórkowa czy fizyka kwantowa.
Tradycyjne zegary opierają się na stałych ruchach okresowych. Jednak wiele zjawisk naturalnych nie podlega takim uporządkowanym rytmom. Zespół z King's College London wykazał, że nawet procesy stochastyczne, czyli losowe, mogą służyć jako niezawodne mechanizmy czasowe. Wykorzystują one statystyczne właściwości odstępów między zdarzeniami. Kluczowe dla tego odkrycia jest ustalenie ścisłych matematycznych granic precyzji, z jaką zegar zbudowany na zdarzeniach Markowowskich (procesach bez pamięci) może mierzyć czas w ramach fizyki klasycznej. Ta granica stanowi absolutny limit dokładności przy korzystaniu z tych procesów w fizyce klasycznej.
Zegary kwantowe, takie jak zegary atomowe, są w stanie przekroczyć granice precyzji narzucone przez fizykę klasyczną. Wyniki uzyskane przez zespół z King's College London dostarczają teoretycznych ram wyjaśniających, dlaczego zegary klasyczne nie mogą konkurować z ich kwantowymi odpowiednikami, podkreślając tym samym znaczący wpływ zjawisk kwantowych na pomiar czasu.
Dr Mark Mitchison, główny autor badania, podkreślił, że motywacją było wyodrębnienie kluczowych elementów niezbędnych do zbudowania zegara w każdych warunkach. Stwierdził, że licząc nieregularne, losowe zdarzenia, można by skonstruować najlepszy możliwy zegar klasyczny. Odkrycia te wykraczają daleko poza abstrakcyjną teorię, znajdując potencjalne zastosowanie w zrozumieniu mechanizmów, dzięki którym systemy biologiczne koordynują swoje uporządkowane funkcje pomimo panującego wokół „szumu” (losowych fluktuacji).
Przykładem mogą być białka motoryczne, które przekształcają chaotyczne fluktuacje termiczne w wysoce regularne, ukierunkowane ruchy. Traktowanie procesów biologicznych na poziomie molekularnym jako zegarów otwiera nowe spojrzenie na powstawanie porządku z chaosu w żywych systemach. Podejście to dostarcza rygorystycznych narzędzi matematycznych do charakteryzowania biologicznych mechanizmów odmierzania czasu, łącząc skale od mikroskopijnych silników molekularnych po makroskopowe ekosystemy.
Co więcej, przełom ten dotyka głębokich, nierozwiązanych zagadek fizyki, takich jak jednokierunkowy przepływ czasu. Określając możliwości zegarów klasycznych i wskazując, jak zegary kwantowe te granice przekraczają, badacze mają nadzieję, że ich praca zainicjuje nowe spojrzenie na te fundamentalne pytania. Opracowany formalizm matematyczny może również umożliwić eksperymentatorom identyfikację efektów kwantowych poprzez analizę odchyleń od klasycznych przewidywań Markowowskich.
Dokładne mierzenie wydajności zegarów i porównywanie jej z klasycznymi limitami pozwoliłoby na wykrycie „sygnatury” zachowań kwantowych. Połączenie abstrakcyjnej matematyki, fizyki klasycznej i teorii kwantowej odświeża nasze postrzeganie czasu i niesie potencjał transformacyjny dla technologii zależnych od precyzyjnego pomiaru czasu. Zegary atomowe, które stanowią podstawę systemów nawigacji satelitarnej, są przykładem tego, jak precyzja oparta na zjawiskach kwantowych zmienia horyzonty technologiczne.
Jak podsumował dr Mitchison, kontemplacja czasu przez pryzmat zegarów zbudowanych na zdarzeniach losowych może wreszcie rzucić światło na istotę samego przepływu czasu. Praca ta wyznacza ścieżkę ku połączeniu praktycznych aspektów pomiaru z filozoficznymi i fizycznymi złożonościami czasu. Tworząc narzędzia matematyczne łączące losowość stochastyczną z deterministycznym porządkiem, badania te stanowią kamień milowy z konsekwencjami sięgającymi od biologii po technologie kwantowe.