Zegar z chaosu. Matematyka porządkuje przypadkowość
Dotychczasowe podejście do pomiaru czasu zakładało konieczność istnienia przewidywalnych, regularnych procesów. Wahadło, drgania kryształu kwarcowego, atom cezu – wszystkie te mechanizmy opierają się na powtarzalności. Nowe badania sugerują, że nawet najbardziej chaotyczne zjawiska mogą stać się podstawą do mierzenia czasu.
Naszym celem było znalezienie minimalnych składników potrzebnych do zbudowania zegara. Na przykład, czy nadal można precyzyjnie mierzyć czas będąc na bezludnej wyspie? Znaleźliśmy równania, które mówią, jak stworzyć “zegar” poprzez zliczanie losowych zdarzeń wokół siebie, takich jak fale uderzające o brzeg czy bicie serca – wyjaśnia Mark Mitchison, King’s College London
Czytaj też: To może być przyszłość robotów. Ten żel zmienia kolor i jest niezwykle elastyczny
Kluczem do tego przełomu okazały się procesy Markowa, czyli specyficzny typ sekwencji zdarzeń, w którym każde kolejne wydarzenie zależy tylko od stanu bezpośrednio go poprzedzającego. Ta właściwość pozwala na precyzyjne określenie dokładności takiego nietypowego zegara. Chyba najbardziej intrygującym aspektem tego odkrycia jest jego potencjał w badaniu granic między światem klasycznym a kwantowym. Nowe równania wyznaczają teoretyczny limit dokładności dla zegarów działających w oparciu o klasyczną fizykę. Przekroczenie tego progu mogłoby wskazywać na obecność efektów kwantowych. Zastosowane przez autorów podejście oferuje nieco bardziej przystępną metodę badania zjawisk kwantowych niż skomplikowane eksperymenty laboratoryjne. Wystarczy zmierzyć precyzję naturalnego “zegara” i porównać z teoretycznymi przewidywaniami.
Biologiczne zastosowania. Kiedy chaos generuje porządek
Odkrycie ma szczególne znaczenie dla zrozumienia procesów biologicznych. Weźmy pod uwagę kinezynę – białko motoryczne, które potrafi przekształcić chaotyczną energię termiczną w regularne, zegarowe ruchy. Gdy te molekularne mechanizmy zawiodą, mogą prowadzić do poważnych schorzeń, w tym choroby neuronu ruchowego.
Myślenie o maszynach molekularnych jako o zegarach daje nam wgląd w to, jak niektóre procesy naturalne spontanicznie generują porządek z chaosu. Widzimy to na wielu różnych skalach we wszechświecie – od organizmów biologicznych i ekosystemów aż po mikroskopowy świat – dodaje Mitchison
Czytaj też: Proton wciąż skrywa tajemnice. Nowe badania rzucają wyzwanie fizyce jądrowej
Nowe równania pozwalają lepiej zrozumieć, jak te biologiczne zegary funkcjonują i co może pójść nie tak w przypadku różnych chorób. To otwiera ciekawe perspektywy dla medycyny, choć na praktyczne zastosowania przyjdzie nam pewnie jeszcze poczekać. Badania otwierają drzwi do odpowiedzi na fundamentalne pytania o naturę czasu. Dlaczego czas płynie tylko w jednym kierunku? Dlaczego pamiętamy przeszłość, ale nie przyszłość? Czy czas jest skwantowany w dyskretne kawałki, podobnie jak energia? Wyniki badań opublikowane w Physical Review X reprezentują istotny krok w naszym rozumieniu czasu. Choć na razie mówimy głównie o teoretycznych modelach, to odkrycie może kiedyś znaleźć praktyczne zastosowanie: od precyzyjniejszych technologii pomiarowych po głębsze zrozumienie procesów biologicznych. Potencjalne korzyści wydają się więc wyjątkowo rozległe.