摘要：伦敦国王学院的物理学家们在《物理评论X》期刊上发表了一项突破性研究，揭示了如何将任何随机事件序列转化为精确的计时装置。这一发现不仅挑战了我们对时间测量的传统理解，更为探测量子效应在宏观世界中的作用提供了全新工具。从股市波动到心脏跳动，从海浪拍岸到细胞内蛋白质运

信息来源：https://phys.org/news/2025-09-clocks-random-events-probe-quantumness.html

伦敦国王学院的物理学家们在《物理评论X》期刊上发表了一项突破性研究，揭示了如何将任何随机事件序列转化为精确的计时装置。这一发现不仅挑战了我们对时间测量的传统理解，更为探测量子效应在宏观世界中的作用提供了全新工具。从股市波动到心脏跳动，从海浪拍岸到细胞内蛋白质运动，这些看似无序的现象都可以被转化为可靠的"时钟"，其精确度受到严格的数学定律约束。

这项研究的核心在于对马尔可夫过程的深度分析。马尔可夫过程是指当前状态仅依赖于前一状态的随机过程，这种现象在自然界中极为普遍。研究团队发现，通过分析这些随机"跳跃"的模式，科学家不仅可以估算时间的流逝，还能为此类"时钟"的准确性建立迄今最严格的数学界限。更重要的是，如果某个系统的表现超出了这些界限，那就意味着其中可能存在量子效应的作用。

量子时钟的超越性能力

该研究最引人注目的发现之一是量子时钟不受经典物理学界限的约束。这一特性解释了为什么原子钟等量子技术能够实现比传统机械时钟更高的精度。量子系统利用叠加态和纠缠等独特性质，可以突破经典马尔可夫过程的固有限制，从而实现超越经典物理学预期的计时精度。

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主要研究者、国王学院物理系高级讲师马克·米奇森博士解释了这一现象的重要意义："我们的研究确定了在经典物理学框架内制造时钟的基本限制。当我们观察到某个系统的表现超越这些限制时，就可以确定其中存在量子行为的证据。"这为科学家提供了一个强有力的诊断工具，用于识别量子效应在宏观系统中的存在。

原子钟之所以能够达到极高精度，正是因为它们利用了原子的量子跃迁。这些跃迁具有极其稳定的频率，不受温度、压力等环境因素的显著影响。目前最先进的原子钟的精度可以达到每300亿年误差不超过一秒，这种精度水平在经典物理学框架下是无法实现的。

生物系统中的分子时钟机制

研究团队特别关注了生物系统中的计时机制，尤其是被称为"分子机器"的蛋白质如何在细胞内执行精确的计时功能。驱动蛋白是一个典型的例子，这种蛋白质在细胞内的微管上"行走"，运输其他蛋白质和细胞器。驱动蛋白使用两只"分子脚"沿着微管进行定向运动，每一步都需要消耗ATP分子提供的化学能。

这些分子机器的工作原理体现了从无序到有序的转化过程。在细胞的热环境中，分子运动本质上是随机的，但驱动蛋白却能够将这种随机的热能转化为有规律的、方向性的运动。米奇森博士指出："这种现象让我们看到自然过程如何自发地从混沌中产生秩序，这种转化在宇宙的各个尺度上都能观察到。"

驱动蛋白功能的异常与多种神经退行性疾病密切相关，包括运动神经元疾病。通过将这些分子机器视为"生物时钟"，研究人员可以更深入地理解疾病发生的分子机制。当驱动蛋白的"计时"功能出现异常时，细胞内的物质运输就会受到影响，最终导致神经细胞的功能障碍和死亡。

随机性中的时间测量原理

该研究的理论基础建立在对随机过程时间信息提取的深入分析上。在传统观念中，精确的时间测量需要规律的周期性事件，如钟摆的摆动或石英晶体的振荡。然而，新研究表明，即使是完全不规律的随机事件序列也包含着时间信息，关键在于如何有效地提取和利用这些信息。

马尔可夫过程的一个重要特征是"无记忆性"，即未来的状态只依赖于当前状态，而与过去的历史无关。这种特性看似限制了时间信息的积累，但研究人员发现，通过巧妙的数学分析，仍然可以从中提取出准确的时间信息。具体而言，通过统计分析事件发生的频率和模式，可以估算出系统演化所经历的时间长度。

研究团队还发现，不同类型的随机过程具有不同的计时精度上限。这些上限由系统的内在特性决定，包括状态转换的速率、系统的复杂程度等因素。重要的是，这些界限是普遍适用的，不依赖于具体的物理实现方式。

量子物理学中的时间之谜

这项研究还触及了量子物理学中一些最深刻的时间相关问题。时间的本质一直是物理学中的核心谜题之一。为什么时间似乎只能向前流动？为什么我们只能记住过去而无法预知未来？时间是否像能量一样具有量子化的特征？

米奇森博士表示："通过研究时钟的基本限制和可能性，我们希望最终能够回答一些关于时间本质的根本问题。"量子时钟的研究可能为理解时间的量子化提供重要线索。在量子尺度上，许多物理量都表现出离散的特征，能量具有量子化的能级，角动量也是量子化的。那么时间是否也具有类似的离散结构呢？

一些理论物理学家提出了时间量子化的概念，认为时间可能存在最小的不可分割单位，通常被称为普朗克时间，约为10的负43次方秒。如果这一假设成立，那么所有的时钟，无论多么精确，都无法测量比普朗克时间更短的时间间隔。

实际应用前景与未来发展

这项研究的实际应用前景十分广阔。在生物医学领域，利用分子时钟的概念可以帮助科学家更好地理解各种疾病的发生机制，特别是那些与细胞内时间调节异常相关的疾病。例如，癌细胞的无控制增殖可能与细胞周期时钟的失调有关，而神经退行性疾病则可能涉及神经元内分子时钟的功能异常。

在技术应用方面，这一研究可能推动新型量子传感器的发展。通过利用量子效应突破经典计时精度的限制，可以开发出更加精确的导航系统、通信网络和科学测量仪器。这对于引力波探测、GPS系统精度提升以及基础物理学实验都具有重要意义。

从更广阔的科学视角来看，这项研究为探索量子效应在宏观世界中的表现提供了新的实验方法。随着量子技术的不断发展，理解量子效应如何从微观尺度扩展到宏观系统将变得越来越重要。这不仅有助于推进量子计算和量子通信等前沿技术，还可能揭示自然界中更深层次的物理规律。

来源：人工智能学家