Teorierna om kvantmekanik och gravitation är ökända för att vara oförenliga, trots ansträngningar från mängder av fysiker under de senaste femtio åren. Dock, nyligen ett internationellt team av forskare ledda av fysiker från universitetet i Wien, den österrikiska vetenskapsakademin samt University of Queensland (AUS) och Stevens Institute of Technology (US) har kombinerat nyckelelementen i de två teorierna som beskriver tidsflödet och upptäckt att tidsordning mellan händelser kan uppvisa genuina kvantegenskaper .

Enligt den allmänna relativitetsteorien, närvaron av ett massivt föremål saktar ner tidsflödet. Detta betyder att en klocka som placeras nära ett massivt föremål kommer att gå långsammare jämfört med en identisk som är längre bort.

Dock, reglerna för kvantteorin tillåter att vilket objekt som helst kan förberedas i ett superpositionstillstånd. Ett superpositionstillstånd av två platser skiljer sig från att placera ett objekt på den ena eller andra platsen slumpmässigt – det är ett annat sätt för ett objekt att existera, tillåts av kvantfysikens lagar.

En av de öppna frågorna inom fysiken är:Vad händer när ett föremål som är tillräckligt massivt för att påverka tidsflödet placeras i ett kvantöverlagringstillstånd?

Detta är ett kontroversiellt ämne:vissa fysiker hävdar att sådana scenarier är fundamentalt omöjliga – någon ny mekanism måste blockera överlagringen från att bildas i första hand – medan andra utvecklar hela teorier baserade på antagandet att detta är möjligt.

"Vi började med att ta itu med en fråga:vad skulle en klocka mäta om den påverkades av ett massivt föremål i ett kvantöverlagringstillstånd?" förklarar Magdalena Zych från University of Queensland.

Forskarna förväntade sig att möta vägspärrarna som gjorde scenariot omöjligt, men överraskande, med hjälp av vanlig läroboksfysik kunde de exakt beskriva vad som händer.

De upptäckte så att när ett massivt föremål placeras i en kvantöverlagring i närheten av en uppsättning klockor, deras tidsordning kan bli verkligt kvantum, trotsar alla klassiska beskrivningar.

Caslav Brukner, medförfattare från universitetet i Wien och den österrikiska vetenskapsakademin tillade att regimen där kvanttidsordning kan uppstå är ganska avlägsen från vår vardagliga erfarenhet, "men den viktigaste insikten från vårt arbete är att kvanttidsordning överhuvudtaget är möjlig, och att det resulterar i nya fysiska effekter."

För att illustrera vad som händer, föreställ dig ett par rymdskepp som tränar för ett uppdrag. De uppmanas att skjuta mot varandra vid en viss tidpunkt, och starta omedelbart deras motorer för att undvika varandras attack. Om något av fartygen skjuter för tidigt, det kommer att förstöra den andra, och detta etablerar en omisskännlig tidsordning mellan skjutningshändelserna. Om en kraftfull agent kunde placera ett tillräckligt massivt föremål, säg en planet, närmare ett fartyg skulle det sakta ner sin tidsräkning. Som ett resultat, fartyget längre bort från massan kommer att skjuta för tidigt för att det första ska kunna fly.

Kvantfysikens och gravitationens lagar förutspår att genom att manipulera ett kvantöverlagringstillstånd på planeten, fartygen kan hamna i en superposition där endera av dem förstörs. Ett sådant superpositionstillstånd, involverar två system, kallas intrasslad. Det nya verket visar att den tidsmässiga ordningen mellan händelser kan uppvisa överlagring och förveckling - verkligt kvantegenskaper av särskild betydelse för att testa kvantteori mot alternativ. Resultatet kan nu användas som en teoretisk testplats för ramverk för kvantgravitation, och på så sätt hjälpa till att gå vidare med att formulera den korrekta teorin om kvantgravitation.

Studien kommer också att vara relevant för framtida kvantteknologier. Kvantdatorer som utnyttjar kvantordningen för att utföra operationer kan slå enheter som endast använder fasta sekvenser. Praktiska implementeringar av kvanttidsordning kräver inte extrema förhållanden - som planeter i superposition - och kan simuleras utan användning av gravitation. Upptäckten av tidens kvantegenskaper kan leda till bättre kvantenheter i den kommande eran av kvantdatorer.