|
Червоточины и квантовая спутанность
В 2013 году американский физик Леонард Сасскинд получил зашифрованное электронное письмо от своего коллеги Хуана Мальдасены. Суть сообщения сводилась к единственному уравнению: ER = EPR. Сасскинд понял, что Мальдасена подобрался к самой сути окружающей нас реальности. Оба ученых были окрылены новостью, поскольку уравнение обещало провести мост между двумя областями физики, впервые исследованными Альбертом Эйнштейном почти 80 лет назад. Окрылены, потому что с помощью уравнения можно разрешить парадоксы, возникающие при моделировании черных дыр. И, самое главное, ответить на вопрос – из чего соткана окружающая нас реальность?
В ноябре 1915 года Эйнштейн представил коллегии Прусской Академии Наук окончательную форму своей революционной теории гравитации. Теория перевернула принятые еще со времен Исаака Ньютона представления о гравитации. Гравитация определяется геометрией искривленного пространства-времени, а все макро объекты во Вселенной двигаются по невидимым искривленным линиям, которые возникают в пространстве-времени под действием материи.
В прошедшее столетие теория подвергалась бесчисленным экспериментальным проверкам, но ошибок в ней обнаружено не было. Однако росло подозрение что ей чего-то не хватает. Теория описывала пространство-время как гибкий и при этом гладкий и бездетальный фон для реальности. Проблемы начинались тогда, когда огромные массы материи сжимаются в черную дыру.
В 1970-е годы физики Якоб Бекенштейн и Стивен Хокинг показали, что у черной дыры должна быть температура, а стало быть и энтропия. А это переводит нашу мысль в область квантовой физики, где все квантуется, то есть представлено порциями, частями. Энтропия позволяет нам понять как организованы составляющие систему части – например, атомы в облаке газа. Чем больше число возможных конфигурация, тем выше энтропия.
Проблемы с черной дырой
Но если черная дыра представляет собою сжатое гладкое пространство-время, то в ней не должно быть подструктур, а стало быть и энтропии. А это как раз и есть противоречие, которое наводит на мысль о неполноте теории Эйнштейна. В то же время, при жизни Эйнштейн выдвинул подобное обвинение в адрес квантовой теории. В мае 1935 года в газете New York Times вышла статья «Эйнштейн атакует квантовую теорию» на основе работы Эйнштейна, Подольского и Розена. В научной статье научному сообществу было представлено странное следствие квантовой теории, в котором две частицы могут мгновенно воздействовать друг на друга, даже если их разделяет целая Вселенная. Эйнштейн окрестил этот феномен фразой «жуткое дальнодействие». Еще его называют квантовой спутанностью. Это явление указало на наличие неполноты в квантовой теории.
Но тем не менее, несмотря на то что квантовая теория была подвергнута даже более тяжелым экспериментальным испытаниям, чем теория относительности – она их с достоинством выдержала. А найденное Эйнштейном жуткое дальнодействие и по сей день указывает на противоречия между двумя теориями. Если позволить теории гравитации и квантовой спутанности действовать рядом с черной дыркой, можно получить странные результаты. Например, информация будет уничтожаться – что согласно квантовой физике невозможно, или же черная дыра станет окружена огненной стеной энергетических частиц.
Поэтому у ряда физиков возникает мысль объединить обе теории – начать квантовать пространство-время и тем самым создать квантовую теорию гравитации. Сасскинд и Мальдасена, который нынче работает в Принстоне, долгое время возглавляют научный поиск в одном из самых перспективных направлений – теории струн. Она заменяет точечные квантовые объекты современных квантовых теорий колеблющимися струнами инфинитизмальных размеров и рассматривает пространство-время как имеющее зернистую подструктуру, так что нельзя бесконечно делить его на все более и более мелкие части.
Но если ответ содержится в струнной теории, он хорошо спрятан. В теории более 10 в степени 300 решений, каждое из которых описывает свою особую вселенную. Отыскать среди них нашу – с плоской геометрией, расширяющуюся, содержащую наш набор элементарных частиц – практически невозможно.
В 1997 году Мальдасена пришел к окрыляющей ученых концепции. Он предложил уравнения струнной теории, в которых гравитация в определенном объеме описывается также, как поверхность этой области описывается квантовыми уравнениями. Если решить уравнения поверхности, можно вывести жизнеспособную теорию гравитации.
В 2001 году Мальдасена нашел нечто, что возвращает нас во времена Эйнштейна и Розена. И снова в 1935 год. Они открыли еще одну особенность черных дыр. Она состоит в том что две черные дыры, которые наружному наблюдателю кажутся раздельными, на самом деле соединены внутри. Это соединение образует кратчайший путь между двумя областями пространства-времени, получивший название червоточина или мост Эйнштейна-Розена.
Но что наиболее странно, уравнения Мальдасены показали что подобная червоточина образуется только тогда, когда наружные области черных дыр квантово спутаны.
Квантовая жевательная резинка
В 2009 математическая часть теории Мальдасены получила дальнейшее развитие. Стало понятно, что квантовая спутанность не работает по принципу тумблера «ВКЛ/ВЫКЛ». На самом деле, она существует в разных степенях выраженности. Мальдасена задумался над тем, что же будет происходить, если квантовую спутанность двух черных дыр начать постепенно понижать, пока она на исчезнет? Ответ образно был похож на полоску жевательной резинки, которую тянут за оба конца. Два конца отдаляются друг от друга и жевательная резинка в итоге рвется. Так же и червоточина – она становится все тоньше и тоньше, пока совсем не разрушится, так что у нас останутся два несвязанных участка пространства-времени. Если же обратить процесс и начать увеличивать квантовую спутанность – червоточина начнет заново формироваться.
Прошло еще несколько лет и Мальдасену осенило. В результате родилось то уравнение, о котором шла речь в начале. ER = EPR. ER это научная статья Эйнштейна и Розена, EPR – статья Эйнштейна, Подольского и Розена. Мальдасена предположил: а что если квантовая спутанность и червоточины это две стороны одной монеты, одна и та же физика в двух обличьях?
Данное решение устраняло такие странные парадоксы, как существование огненной стены вокруг черной дыры. Также она определенным образом объясняла процесс разрушения или создания червоточины при уменьшении или увеличении степени квантовой спутанности.
Физик Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии (Ванкувер, Канада) считает что результаты работы Мальдасены довольно драматичны. Пространство-время предстает перед нами как определенная геометрическая манифестация квантовой спутанности. Очень тесная связь между квантовыми механизмами и пространством-временем. Непрерывность пространства-времени, которое кажется нам чем-то прочным, рождается из призрачных свойств квантовой спутанности. Сасскинд в своих мыслях идет еще дальше. Квантовая спутанность это форма информации, а таким образом «пространство-время это проявление квантовой информации».
Вынос мозга, да? Но что если действительно две спутанные частицы – скажем два фотона в лаборатории – соединены очень маленькой червоточиной? А мы на самом деле живем на фоне нечто, что на самом деле является лишь единицами и нулями спутанной квантовой информации?
Короткий ответ – пока мы не знаем. Главная проблема в том что вся математика, которая связывает квантовую спутанность с червоточинами – работает с пространством-временем, которое не расширяется. Ван Раамсдонк и коллеги работают над уравнениями, которые рассматривают пространство-время, расширяющееся как в нашей Вселенной.
Но для всего научного сообщества работы Мальдасены это большой шаг вперед в процессе создания объединенной теории всего. Принцип ER = EPR это то, чего должна слушаться квантовая теория.
У таких представлений есть и противники. Например Джо Полчински и Дон Маролф – физики из Университета Калифорнии (Санта-Барбара, США). Полчински считает что идея EP = EPR приведет к изменению центрального принципа квантовой теории, известного как суперпозиция. Объясняемый с помощью кошки Шредингера, принцип показывает что квантовая система может существовать одновременно в двух разных состояниях. Когда квантовые объекты спутываются, они также входят в суперпозицию.
На первый взгляд, гипотеза EP = EPR говорит что квантовые системы, которые более спутаны, а потому вошли в суперпозицию, неожиданно образуют червоточину – ход, который запрещен принципом суперпозиции. В этом есть проблема, считает Полчински. «Квантовая механика странна, но она работает. Если же из нее убрать принцип суперпозиции – она останется просто странной».
Но тем не менее нужно быть открытым ко всему. История науки неоднократно показывала что незыблемые вещи порой разрушаются, например теория гравитации Ньютона. Может быть, с суперпозицией дело обстоит так же. Сам Мальдасена не спешит опровергать принцип суперпозиции, ведь математика теории пока не до конца выработана.
И вполне возможно, что молодой Эйнштейн с интересом взялся бы за объединение червоточин с квантовой спутанностью.
По материалам New Scientist 7 11 2015
Перевод вашего покорного слуги
|
Вход
Библиотека
Правила
Блоги
FAQ
Поиск
