在日常生活中，物体通常被认为在某一时刻处于某一确定的位置和状态。然而，量子世界却呈现出截然不同的图景，粒子可以同时处于多个位置或状态的叠加态。为了弥合这一鸿沟，标准量子力学认为，当一个量子系统被测量或观测时，其波函数会“坍缩”成一个单一的确定结果。

如今，在基础问题研究所（FQxI）的支持下，一个国际物理学家团队探索了一种更为激进的可能性。他们的研究表明，某些被称为“量子坍缩模型”的非标准量子力学理论，可能对时间本身的性质以及时钟的最终精度产生令人惊讶的影响。

这项发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）上的发现，还为检验这些非传统理论与标准量子力学提供了一种潜在的新方法。

“我们所做的，是认真对待坍缩模型可能与引力相关联的观点，”该研究的负责人、意大利罗马恩里科·费米博物馆和研究中心（CREF）的博士生尼古拉·博尔托洛蒂（Nicola Bortolotti）解释道，“然后我们提出了一个非常具体的问题：这对时间本身意味着什么？”

量子态的自发坍缩

自20世纪80年代以来，物理学家们发展出了一系列模型，其中波函数坍缩不再需要测量设备或观测者。相反，坍缩可以自发发生。

这使得这些理论与许多量子力学的诠释不同。量子力学的诠释主要为量子理论的含义提供不同的概念性解释，但通常会产生与标准量子力学相同的实验预测。而量子坍缩模型则更进一步，因为它们预测了至少在原则上可以被测量的物理效应。

博尔托洛蒂及其同事研究了两种不同的坍缩模型。该团队成员包括FQxI成员、意大利弗拉斯卡蒂国家核物理研究所（INFN-LNF）研究主任卡塔利娜·库尔切亚努（Catalina Curceanu），CREF和INFN-LNF的克里斯蒂安·皮西奇亚（Kristian Piscicchia），匈牙利布达佩斯维格纳物理研究中心和厄特沃什·罗兰大学的拉约什·迪奥西（Lajos Diósi），以及INFN-LNF的西蒙娜·曼蒂（Simone Manti）。

其中一个模型是迪奥西-彭罗斯模型（Diósi-Penrose model），以FQxI成员拉约什·迪奥西和罗杰·彭罗斯爵士命名。该模型长期以来一直提出，引力可能在迫使量子系统坍缩成确定状态方面发挥作用。

研究人员还研究了第二种方法，称为连续自发定域（Continuous Spontaneous Localization）模型。他们首次在该模型与时空中的引力波动之间建立了定量的联系。

时间可能存在微小的固有不确定性

这些计算得出了一个惊人的结论：如果这些坍缩模型是正确的，那么时间本身就应该包含一个非常微小的固有不确定性。

换句话说，时间能够被测量的精确度可能存在一个根本性的极限。但这并不意味着时钟会突然变得不可靠。预测的效应极其微小。

博尔托洛蒂表示：“一旦你进行计算，答案就清晰明了，并且出人意料地令人安心。”

即使是当今最先进的原子钟，或可预见的未来中预期出现的原子钟，其精度也不足以察觉到这种效应。

库尔切亚努说：“这种不确定性比我们目前能够测量的任何事物都要小许多个数量级，因此它对日常计时没有实际影响。” 皮西奇亚补充道：“我们的结果明确表明，现代计时技术完全不受影响。”

量子引力的潜在线索

这项工作触及了现代物理学中最大的未解之谜之一：如何调和量子力学与引力。

量子力学在描述原子、粒子和其他微观系统方面取得了巨大成功。与此同时，爱因斯坦的广义相对论则描述了引力以及空间和时间在更大尺度上的行为，包括行星、恒星、星系乃至整个宇宙。

这两种理论在各自适用的领域都与实验结果高度吻合。然而，问题在于它们以根本不同的方式处理时间。

库尔切亚努解释说：“在标准量子力学中，时间被视为一个外部的经典参数，不受所研究量子系统的影响。”

广义相对论则持截然不同的观点。空间和时间是被称为“时空”的柔性结构的一部分，它可以响应质量和能量而弯曲和变化。

由于这种不匹配，物理学家们几十年来一直在寻找一种更深层次的理论，能够将量子力学和引力统一起来。这项新研究的结果表明，坍缩模型可能包含关于量子物理、引力与时间最终如何结合的线索。

它们还提供了一个更实际的好处。由于坍缩模型预测了与标准量子力学不同的可测量效应，因此极其精确的实验最终可能有助于确定这些想法是否描述了自然界中的真实现象。

库尔切亚努强调了支持物理学基础领域非常规问题研究的重要性。

库尔切亚努说：“世界上支持宇宙、空间、时间和物质等基础问题研究的基金会并不多。我们的工作表明，即使是关于量子力学的激进想法，也可以通过精确的物理测量进行检验，并且令人欣慰的是，计时仍然是现代物理学最稳定的支柱之一。”

这项工作得到了FQxI“物理世界中的意识”项目（FQxI's Consciousness in the Physical World program）的部分支持。