Учёные из Королевского колледжа Лондона обнаружили набор математических уравнений, описывающих, как превратить любую последовательность случайных событий в часы. Статья [опубликована](https://link.aps.org/doi/10.1103/rpls-mp8z) в журнале Physical Review X.
Исследователи предполагают, что эти формулы могут помочь понять, как клетки в нашем организме измеряют время, и обнаружить эффекты квантовой механики в окружающем мире.
Изучение процессов измерения времени может иметь далеко идущие последствия:
* помочь нам понять белки с ритмическими движениями, которые выходят из строя при заболевании двигательных нейронов;
* изучить химические рецепторы, которые клетки используют для обнаружения вредных токсинов.
Эйнштейн однажды сказал: «Время — это то, что часы измеряют». И хотя наручные часы отсчитывают время благодаря регулярному тиканью, события, которые не следуют заранее определённому шаблону, также могут быть использованы для измерения времени.
Например, некоторые процессы состоят из случайных «скачков» в нерегулярные моменты времени. Если каждый скачок зависит только от предыдущего, процесс называется марковским. Примеры можно увидеть повсюду в природе: от колебаний цен на акции до биения сердца.
Анализируя эти скачки, учёные могут оценить, сколько времени прошло, и установить строгую математическую границу точности таких «часов».
Если часы ведут себя иначе, чем предполагают уравнения, значит, это не классический марковский процесс, и в системе могут присутствовать квантовые эффекты. Аналогично, часы, использующие квантовую физику, не ограничены этой границей, что объясняет, почему квантовые технологии, такие как атомные часы, работают лучше, чем обычные часы, которыми обычно пользуется общественность.
Доктор Марк Митчисон, старший лектор кафедры физики в Королевском колледже и ведущий автор исследования, объясняет: «Наша цель состояла в том, чтобы выяснить, какие минимальные ингредиенты необходимы для создания часов. Например, можно ли всё ещё точно измерять время, даже если вы оказались на необитаемом острове? Мы нашли уравнения, которые подсказывают, как создать «часы», подсчитывая случайные события вокруг вас, например, плеск волн о берег или биение вашего сердца».
«Это оказывается наилучшими возможными часами, которые можно создать, подсчитывая марковские события в системе, управляемой классической физикой. Поэтому, если вы обнаружите систему, которая не следует ожидаемому шаблону, вы можете быть уверены, что происходит что-то ещё, например, лежащее в основе квантовое поведение».
Команда также надеется, что эти математические процедуры можно будет использовать для изучения того, как биологические системы эффективно работают в присутствии случайных флуктуаций. Например, моторный белок кинезин транспортирует другие белки внутри клетки, перемещаясь по небольшим «микротрубочкам», которые пересекают клетку, используя две «ноги» для совершения направленных шагов вдоль трубки.
Эти «молекулярные машины» преобразуют случайную тепловую энергию в повторяющееся, регулярное движение, похожее на тиканье часов. Они также имеют решающее значение для биологических функций: нарушение работы кинезина было связано с заболеванием двигательных нейронов.
Доктор Митчисон сказал: «Рассматривая молекулярные машины как «часы», мы получаем представление о том, как некоторые природные процессы спонтанно генерируют порядок из хаоса. Мы наблюдаем это на многих различных уровнях нашей Вселенной, от биологических организмов и экосистем до микроскопического мира».
«Установив фундаментальный предел того, насколько хорошо часы могут работать в области классической физики, мы также получаем лучшее понимание того, что отличает квантовые часы».
«Время лежит в основе многих нерешённых загадок квантовой физики. Почему время, кажется, течёт только в одном направлении? Почему мы помним только прошлое, а не будущее? Квантуется ли время дискретными порциями, как энергия? Думая о том, что могут делать часы, мы, в конечном итоге, надеемся ответить на некоторые из этих вопросов о природе времени».
Предоставлено [King’s College London](https://phys.org/partners/king-s-college-london/)
published in the journal Physical Review X.”,”The researchers suggest that these formulas could help to understand how cells in our bodies measure time and to detect the effects of quantum mechanics in the wider world.”,”Studying these timekeeping processes could have far-reaching implications, helping us to understand proteins with rhythmic movements which malfunction in motor neuron disease or chemical receptors that cells use to detect harmful toxins.”,”Einstein famously said that \”Time is whatever a clock measures\” and while a wristwatch keeps time because it ticks at regular intervals, events which don’t follow a pre-determined pattern can also be used to measure time.”,”For example, some processes consist of inherently random \”jumps\” at irregular times. If each jump only depends on the previous jump, the process is called Markovian. Examples can be seen throughout nature, from fluctuating stock prices to the beating of a heart.”,”By analyzing these jumps, the scientists can estimate how much time has passed and place the strictest mathematical bound to date on how accurate that \”clock\” is.”,”If the clock behaves differently than the equations suggest, then it isn’t a classical Markovian process and there might be underlying quantum effects in the system. By the same token, clocks that use quantum physics are not restricted by the bound, which explains why quantum technologies such as atomic clocks can do better than any classical clock like those commonly used by the public.”,”Dr. Mark Mitchison, Proleptic Senior Lecturer in the Department of Physics at King’s and lead author explains, \”Our goal was to find out the minimum ingredients you need to build a clock. For example, could you still measure time precisely even when stranded on a desert island? We found equations that tell you how to create a ‘clock’ by counting random events around you, like waves lapping on the shore or your heartbeats.”,”\”This turns out to be the best possible clock you can build by counting Markovian events in a system governed by classical physics. So, if you find a system that doesn’t follow the expected pattern, you can be sure something else is going on, like underlying quantum behavior.\””,”The team also hope that these mathematical procedures can be used to study how biological systems operate efficiently in the presence of random fluctuations. For example, the motor protein kinesin transports other proteins within the cell, walking across small ‘microtubules’ which cross-cross the cell using two ‘feet’ to take directed steps along the tube.”,”These ‘molecular machines’ convert random thermal energy into a repeated, regular motion, like the ticking of a clock. They are also crucial for biological function: malfunctioning kinesin has been implicated in motor neuron disease.”,”Dr. Mitchison said, \”Thinking about molecular machines as ‘clocks’ gives us insight into how some natural processes spontaneously generate order from chaos. We see this occurring at many different scales in our universe, from biological organisms and ecosystems down to the microscopic world.”,”\”By establishing a fundamental limit on how well clocks can operate in the realm of classical physics, we also gain a better understanding of what makes quantum clocks different.”,”\”Time lies at the heart of many unsolved mysteries in quantum physics. Why does time seem to flow in only one direction? Why do we only remember the past and not the future? Is time quantized in discrete chunks, in the same way as energy? By thinking about what clocks can do, we ultimately hope to answer some of these questions about the nature of time itself.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tKing’s College London\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник