Из хаоса — в точность: учёные создали «часы» из случайных событий
Группа физиков из Королевского колледжа Лондона опубликовала работу, описывающую новый подход к измерению времени. Авторы разработали набор математических уравнений, которые позволяют превратить любую последовательность случайных событий в своего рода «часы». Это означает, что для измерения времени можно использовать не только периодические процессы, как в обычных часах, но и события, происходящие нерегулярно.
В качестве примера таких случайных событий авторы приводят колебания цен на бирже или биение сердца. Если каждое событие зависит только от предыдущего, то такой процесс называется марковским. Анализируя последовательность таких марковских событий, учёные могут оценить прошедшее время и определить максимально возможную точность этих «часов».
Ключевой момент заключается в том, что если поведение «часов», созданных по этим уравнениям, отличается от предсказанного, то это может указывать на наличие квантовых эффектов в системе. Классические марковские процессы подчиняются определённым математическим ограничениям на точность измерения времени. Квантовые же технологии, например, атомные часы, эти ограничения не соблюдают, демонстрируя более высокую точность.
Доктор Марк Мичисон, ведущий автор работы и старший преподаватель кафедры физики Королевского колледжа, поясняет: «Наша цель состояла в том, чтобы выяснить минимальные составляющие для создания часов. Например, можно ли точно измерять время, оказавшись на необитаемом острове? Мы нашли уравнения, которые показывают, как создать "часы", считая случайные события вокруг вас, такие как волны, накатывающие на берег, или ваши удары сердца». Он подчёркивает, что полученные уравнения описывают максимально точные «часы», которые можно построить на основе классической физики и марковских процессов. Любое отклонение от предсказанного поведения указывает на наличие неклассических эффектов.
Авторы надеются, что разработанные математические методы помогут изучить, как биологические системы эффективно функционируют в условиях случайных флуктуаций. В качестве примера приводится моторный белок кинезин, который транспортирует другие белки внутри клетки, «шагая» по микротрубочкам. Эти «молекулярные машины» преобразуют случайную тепловую энергию в повторяющиеся, регулярные движения, подобно тиканью часов. Нарушение работы кинезина связано с таким заболеванием, как болезнь моторных нейронов.
Доктор Мичисон отмечает: «Рассматривая молекулярные машины как "часы", мы получаем представление о том, как некоторые природные процессы самопроизвольно порождают порядок из хаоса. Мы видим это на самых разных масштабах нашей Вселенной, от биологических организмов и экосистем до микромира». Понимание фундаментальных ограничений для классических «часов» позволяет лучше понять, что отличает квантовые часы. Авторы работы надеются, что их исследования помогут в решении фундаментальных вопросов о природе времени в квантовой физике, таких как его направление, квантование и связь с памятью.