Ярко блестела золотистая осенняя листва деревьев. Лучи вечернего солнца коснулись поредевших верхушек. Свет пробился сквозь ветки и устроил спектакль из причудливых фигур, мелькавших на стене университетской «каптёрки».
Задумчивый взгляд сэра Гамильтона медленно скользил, наблюдая за игрой светотени. В голове ирландского математика шла настоящая плавильня мыслей, идей и выводов. Он прекрасно понимал, что объяснение многих явлений с помощью Ньютоновской механики подобно игре теней на стене, обманчиво сплетающих фигуры и оставляющих без ответа многие вопросы. «Возможно, это волна… а может быть, поток частиц, - размышлял учёный, - или свет является проявлением обоих явлений. Подобно фигурам, сотканным из тени и света».
Начало квантовой физики
Интересно наблюдать за великими людьми и пытаться осознать, как рождаются великие идеи, изменяющие ход эволюции всего человечества. Гамильтон - один из тех, кто стоял у истоков зарождения квантовой физики. Спустя пятьдесят лет, в начале двадцатого века, изучением элементарных частиц занимались многие учёные. Полученные знания были противоречивы и нескомпилированы. Однако первые шаткие шаги были сделаны.
Понимание микромира в начале ХХ века
В 1901 году была представлена первая модель атома и показана её несостоятельность, с позиции обычной электродинамики. В этот же период Макс Планк и Нильс Бор публикуют множество трудов о природе атома. Несмотря на их полного понимания структуры атома не существовало.
Спустя несколько лет, в 1905 году, малоизвестный немецкий учёный Альберт Эйнштейн опубликовал доклад о возможности существования светового кванта в двух состояниях - волнового и корпускулярного (частицы). В его труде приводились доводы, поясняющие причину несостоятельности модели. Однако видение Эйнштейна было ограничено старым пониманием модели атома.
После многочисленных трудов Нильса Бора и его коллег в 1925 году зародилось новое направление - некое подобие квантовой механики. Распространённое выражение - «квантовая механика» появилось спустя тридцать лет.
Что мы знаем о квантах и их причудах?
На сегодня квантовая физика ушла достаточно далеко. Открыто много различных явлений. Но что мы знаем на самом деле? Ответ представлен одним учёным современности. "В квантовую физику можно либо верить, либо ее не понимать", - таково определение Подумайте над этим сами. Достаточно будет упомянуть такое явление, как квантовая запутанность частиц. Это явление ввергло научный мир в положение полного недоумения. Ещё большим шоком стало то, что возникший парадокс несовместим с и Эйнштейна.
Впервые эффект квантовой запутанности фотонов обсуждался в 1927 году на пятом Солвеевском Конгрессе. Между Нильсом Бором и Эйнштейном возник жаркий спор. Парадокс квантовой спутанности полностью изменил понимание сути материального мира.
Известно, что все тела состоят из элементарных частиц. Соответственно, все явления квантовой механики отражаются в обычном мире. Нильс Бор говорил, что если мы не смотрим на Луну, то её не существует. Эйнштейн считал это неразумным и полагал, что объект существует независимо от наблюдателя.
При изучении проблем квантовой механики следует понимать, что её механизмы и законы взаимосвязаны между собой и не подчиняются классической физике. Попробуем разобраться в самой противоречивой области - квантовой запутанности частиц.
Теория квантовой запутанности
Для начала стоит понимать, что квантовая физика подобна бездонному колодцу, в котором можно обнаружить все, что угодно. Явление квантовой запутанности в начале прошлого века изучалось Эйнштейном, Бором, Максвеллом, Бойлем, Беллом, Планком и многими другими физиками. На протяжении двадцатого века по всему миру активно изучали это и экспериментировали тысячи учёных.
Мир подчинён строгим законам физики
Почему такой интерес к парадоксам квантовой механики? Все очень просто: мы живём, подчиняясь определённым законам физического мира. Умение «обходить» предопределённость открывает магическую дверь, за которой все становится возможным. К примеру, концепция «Кота Шрёдингера» ведёт к управлению материей. Также станет возможна телепортация информации, которую вызывает квантовая запутанность. Передача информации станет мгновенной, независимо от расстояния.
Этот вопрос пока находится в стадии изучения, однако имеет положительную тенденцию.
Аналогия и понимание
Чем же уникальна квантовая запутанность, как её понять и что происходит при этом? Попробуем разобраться. Для этого потребуется провести некий мысленный эксперимент. Представьте, что у вас в руках две коробки. В каждой из них лежит по одному мячу с полосой. Теперь одну коробку отдаём космонавту, и он улетает на Марс. Как только вы открываете коробку и видите, что полоса на мяче горизонтальна, то в другой коробке мяч автоматически будет иметь вертикальную полосу. Это и будет квантовая запутанность простыми словами выраженная: один объект предопределяет положение другого.
Однако следует понимать, что это лишь поверхностное объяснение. Для того чтобы получить квантовую запутанность, необходимо, чтобы частицы имели одинаковое происхождение, подобно близнецам.
Очень важно понимать, что эксперимент будет сорван, если до вас кто-то имел возможность посмотреть хотя бы на один из объектов.
Где может быть использована квантовая спутанность?
Принцип квантовой запутанности может быть использован для передачи информации на большие расстояния мгновенно. Подобный вывод противоречит теории относительности Эйнштейна. Она гласит, что максимальная скорость перемещения присуща только свету - триста тысяч километров в секунду. Подобная передача информации даёт возможность существования физической телепортации.
Все в мире - информация, в том числе и материя. К такому выводу пришли квантовые физики. В 2008 году на основании теоретической базы данных удалось увидеть квантовую спутанность невооружённым глазом.
Это в очередной раз говорит о том, что мы стоим на пороге великих открытий - перемещения в пространстве и во времени. Время во Вселенной дискретно, поэтому мгновенное перемещение на огромные расстояния даёт возможность попадать в различную плотность времени (на основании гипотез Эйнштейна, Бора). Возможно, в будущем это будет реальностью так же, как мобильный телефон сегодня.
Эфиродинамика и квантовая запутанность
По мнению некоторых ведущих учёных, квантовая спутанность поясняется тем, что пространство заполнено неким эфиром - чёрной материей. Любая элементарная частица, как нам известно, пребывает в виде волны и корпускулы (частицы). Некоторые учёные считают, что все частицы находятся на «полотне» тёмной энергии. Понять это непросто. Давайте попробуем разобраться другим путём - методом ассоциации.
Представьте себя на берегу моря. Лёгкий бриз и слабое дуновение ветра. Видите волны? А где-то вдалеке, в отблесках лучей солнца, виден парусник.
Корабль будет нашей элементарной частицей, а море - эфиром (тёмной энергией).
Море может находиться в движении в виде видимых волн и капель воды. Точно так же и все элементарные частицы могут быть просто морем (её составляющей неотъемлемой частью) или же отдельной частицей - каплей.
Это упрощённый пример, все несколько сложнее. Частицы без присутствия наблюдателя находятся в виде волны и не имеют определённого местоположения.
Белый парусник - это выделенный объект, он отличается от глади и структуры воды моря. Точно так же существуют «пики» в океане энергии, которые мы можем воспринимать как проявление известных нам сил, сформировавших материальную часть мира.
Микромир живёт по своим законам
Принцип квантовой запутанности можно понять, если брать в учёт то, что элементарные частицы находятся в виде волн. Не имея определённого местоположения и характеристик, обе частицы пребывают в океане энергии. В момент появления наблюдателя волна «превращается» в доступный осязанию объект. Вторая частица, соблюдая систему равновесия, приобретает противоположные свойства.
Описанная статья не направлена на ёмкие научные описания квантового мира. Возможность осмысления обычного человека базируется на доступности понимания изложенного материала.
Физика элементарных частиц изучает запутанность квантовых состояний на основании спина (вращения) элементарной частицы.
Научным языком (упрощённо) - квантовая спутанность определяется по разному спину. В процессе наблюдения за объектами учёные увидели, что может существовать только два спина - вдоль и поперёк. Как ни странно, в других положениях частицы наблюдателю не «позируют».
Новая гипотеза - новый взгляд на мир
Изучение микрокосмоса - пространства элементарных частиц - породило множество гипотез и предположений. Эффект квантовой запутанности натолкнул учёных на мысль о существовании некой квантовой микрорешётки. По их мнению, в каждом узле - точке пересечения - находится квант. Вся энергия - целостная решётка, а проявление и движение частиц возможно только через узлы решётки.
Размер «окна» такой решётки достаточно мал, и измерение современным оборудованием невозможно. Однако, чтобы подтвердить или опровергнуть данную гипотезу, учёные решили изучить движение фотонов в пространственной квантовой решётке. Суть в том, что фотон может двигаться либо прямо, либо зигзагами - по диагонали решётки. Во втором случае, преодолев большую дистанцию, он потратит больше энергии. Соответственно, будет отличаться от фотона, движущегося по прямой линии.
Возможно, со временем мы узнаем, что живём в пространственной квантовой решётке. Или же может оказаться неверным. Однако именно принцип квантовой запутанности указывает на возможность существования решётки.
Если говорить простым языком, то в гипотетическом пространственном «кубе» определение одной грани несёт за собой чёткое противоположное значение другой. Таков принцип сохранения структуры пространство - время.
Эпилог
Чтобы понимать волшебный и загадочный мир квантовой физики, стоит внимательно всмотреться в ход развития науки за последние пятьсот лет. Раньше считалось, что Земля имеет плоскую форму, а не сферическую. Причина очевидна: если принять её форму круглой, то вода и люди не смогут удержаться.
Как мы видим, проблема существовала в отсутствии полного видения всех действующих сил. Возможно, что современной науке для понимания квантовой физики не хватает видения всех действующих сил. Пробелы видения порождают систему противоречий и парадоксов. Возможно, магический мир квантовой механики хранит в себе ответы на поставленные вопросы.
Квантовая запутанность, или «жуткое действие на расстоянии», как ее называл Альберт Эйнштейн - это квантовомеханический феномен, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Эта зависимость сохраняется даже если объекты удалить друг от друга за много километров. Например, можно запутать пару фотонов, увести один из них в другую галактику, а потом измерить спин второго фотона - и он будет противоположен спину первого фотона, и наоборот. Квантовую запутанность пытаются приспособить для мгновенной передачи данных на гигантские расстояния или даже для телепортации.
Современные компьютеры дают довольно много возможностей по моделированию самых разных ситуаций. Однако любые вычисления будут в некоторой степени «линейны», так как они подчиняются четко прописанным алгоритмам и не могут от них отступить. И эта система не позволяет симулировать сложные механизмы, в которых случайность — это практически постоянное явление. Речь идет о симуляции жизни. А какое устройство могло бы позволить это сделать? Квантовый компьютер! Именно на одной из таких машин был запущен самый масштабный проект по симуляции квантовой жизни.
Группа физиков и математик сделали значительный шаг в сторону объединения общей теории относительности и квантовой механики, объясняя, как пространство-время вытекает из квантовой запутанности в более фундаментальную теорию.
- Перевод
Квантовая запутанность – одно из самых сложных понятий в науке, но основные её принципы просты. А если понять её, запутанность открывает путь к лучшему пониманию таких понятий, как множественность миров в квантовой теории.
Чарующей аурой загадочности окутано понятие квантовой запутанности, а также (каким-то образом) связанное с ним требование квантовой теории о необходимости наличия «многих миров». И, тем не менее, по сути своей это научные идеи с приземлённым смыслом и конкретными применениями. Я хотел бы объяснить понятия запутанности и множества миров настолько просто и ясно, насколько знаю их сам.
I
Запутанность считается явлением, уникальным для квантовой механики – но это не так. На самом деле, для начала будет более понятным (хотя это и необычный подход) рассмотреть простую, не квантовую (классическую) версию запутанности. Это позволит нам отделить тонкости, связанные с самой запутанностью, от других странностей квантовой теории.Запутанность появляется в ситуациях, в которых у нас есть частичная информация о состоянии двух систем. К примеру, нашими системами могут стать два объекта – назовём их каоны. «К» будет обозначать «классические» объекты. Но если вам очень хочется представлять себе что-то конкретное и приятное – представьте, что это пирожные.
Наши каоны будут иметь две формы, квадратную или круглую, и эти формы будут обозначать их возможные состояния. Тогда четырьмя возможными совместными состояниями двух каонов будут: (квадрат, квадрат), (квадрат, круг), (круг, квадрат), (круг, круг). В таблице указана вероятность нахождения системы в одном из четырёх перечисленных состояний.
Мы будем говорить, что каоны «независимы», если знание о состоянии одного из них не даёт нам информации о состоянии другого. И у этой таблицы есть такое свойство. Если первый каон (пирожное) квадратный, мы всё ещё не знаем форму второго. И наоборот, форма второго ничего не говорит нам о форме первого.
С другой стороны, мы скажем, что два каона запутаны, если информация об одном из них улучшает наши знания о другом. Вторая табличка покажет нам сильную запутанность. В этом случае, если первый каон будет круглым, мы будем знать, что второй тоже круглый. А если первый каон квадратный, то таким же будет и второй. Зная форму одного, мы однозначно определим форму другого.
Квантовая версия запутанности выглядит, по сути, также – это отсутствие независимости. В квантовой теории состояния описываются математическими объектами под названием волновая функция. Правила, объединяющие волновые функции с физическими возможностями, порождают очень интересные сложности, которые мы обсудим позже, но основное понятие о запутанном знании, которое мы продемонстрировали для классического случая, остаётся тем же.
Хотя пирожные нельзя считать квантовыми системами, запутанность квантовых систем возникает естественным путём – например, после столкновений частиц. На практике незапутанные (независимые) состояния можно считать редкими исключениями, поскольку при взаимодействии систем между ними возникают корреляции.
Рассмотрим, к примеру, молекулы. Они состоят из подсистем – конкретно, электронов и ядер. Минимальное энергетическое состояние молекулы, в котором она обычно и находится, представляет собой сильно запутанное состояние электронов и ядра, поскольку расположение этих составляющих частиц никак не будет независимым. При движении ядра электрон движется с ним.
Вернёмся к нашему примеру. Если мы запишем Φ■, Φ● как волновые функции, описывающие систему 1 в её квадратных или круглых состояниях и ψ■, ψ● для волновых функций, описывающих систему 2 в её квадратных или круглых состояниях, тогда в нашем рабочем примере все состояния можно описать, как:
Независимые: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●
Запутанные: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●
Независимую версию также можно записать, как:
(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)
Отметим, как в последнем случае скобки чётко разделяют первую и вторую системы на независимые части.
Существует множество способов создания запутанных состояний. Один из них – измерить составную систему, дающую вам частичную информацию. Можно узнать, например, что две системы договорились быть одной формы, не зная при этом, какую именно форму они выбрали. Это понятие станет важным чуть позже.
Более характерные последствия квантовой запутанности, такие, как эффекты Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR) и Гринберга-Хорна-Зейлингера (GHZ), возникают из-за её взаимодействия ещё с одним свойством квантовой теории под названием «принцип дополнительности». Для обсуждения EPR и GHZ позвольте мне сначала представить вам этот принцип.
До этого момента мы представляли, что каоны бывают двух форм (квадратные и круглые). Теперь представим, что ещё они бывают двух цветов – красного и синего. Рассматривая классические системы, например, пирожные, это дополнительное свойство означало бы, что каон может существовать в одном из четырёх возможных состояний: красный квадрат, красный круг, синий квадрат и синий круг.
Но квантовые пирожные – квантожные… Или квантоны… Ведут себя совсем по-другому. То, что квантон в каких-то ситуациях может обладать разной формой и цветом не обязательно означает, что он одновременно обладает как формой, так и цветом. Фактически, здравый смысл, которого требовал Эйнштейн от физической реальности, не соответствует экспериментальным фактам, что мы скоро увидим.
Мы можем измерить форму квантона, но при этом мы потеряем всю информацию о его цвете. Или мы можем измерить цвет, но потеряем информацию о его форме. Согласно квантовой теории, мы не можем одновременно измерить и форму и цвет. Ничей взгляд на квантовую реальность не обладает полнотой; приходится принимать во внимание множество разных и взаимоисключающих картин, у каждой из которых есть своё неполное представление о происходящем. Это и есть суть принципа дополнительности, такая, как её сформулировал Нильс Бор.
В результате квантовая теория заставляет нас быть осмотрительными в приписывании свойствам физической реальности. Во избежание противоречий приходится признать, что:
Не существует свойства, если его не измерили.
Измерение – активный процесс, изменяющий измеряемую систему
II
Теперь опишем две образцовые, но не классические, иллюстрации странностей квантовой теории. Обе были проверены в строгих экспериментах (в реальных экспериментах люди меряют не формы и цвета пирожных, а угловые моменты электронов).Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен (EPR) описали удивительный эффект, возникающий при запутанности двух квантовых систем. EPR-эффект объединяет особую, экспериментально достижимую форму квантовой запутанности с принципом дополнительности.
EPR-пара состоит из двух квантонов, у каждого из которых можно измерить форму или цвет (но не то и другое сразу). Предположим, что у нас есть множество таких пар, все они одинаковые, и мы можем выбирать, какие измерения мы проводим над их компонентами. Если мы измерим форму одного из членов EPR-пары, мы с одинаковой вероятностью получим квадрат или круг. Если измерим цвет, то с одинаковой вероятностью получим красный или синий.
Интересные эффекты, казавшиеся EPR парадоксальными, возникают, когда мы проводим измерения обоих членов пары. Когда мы меряем цвет обоих членов, или их форму, мы обнаруживаем, что результаты всегда совпадают. То есть, если мы обнаружим, что один из них красный и затем меряем цвет второго, мы также обнаруживаем, что он красный – и т.п. С другой стороны, если мы измеряем форму одного и цвет другого, никакой корреляции не наблюдается. То есть, если первый был квадратом, то второй с одинаковой вероятностью может быть синим или красным.
Согласно квантовой теории, мы получим такие результаты, даже если две системы будет разделять огромное расстояние и измерения будут проведены почти одновременно. Выбор типа измерений в одном месте, судя по всему, влияет на состояние системы в другом месте. Это «пугающее дальнодействие», как называл его Эйнштейн, по-видимому, требует передачу информации – в нашем случае, информации о проведённом измерении – со скоростью, превышающей скорость света.
Но так ли это? Пока я не узнаю, какой результат получили вы, я не знаю, чего ожидать мне. Я получаю полезную информацию, когда я узнаю ваш результат, а не когда вы проводите измерение. И любое сообщение, содержащее полученный вами результат, необходимо передать каким-либо физическим способом, медленнее скорости света.
При дальнейшем изучении парадокс ещё больше разрушается. Давайте рассмотрим состояние второй системы, если измерение первой дало красный цвет. Если мы решим мерить цвет второго квантона, мы получим красный. Но по принципу дополнительности, если мы решим измерить его форму, когда он находится в «красном» состоянии, у нас будут равные шансы на получение квадрата или круга. Поэтому, результат EPR логически предопределён. Это просто пересказ принципа дополнительности.
Нет парадокса и в том, что удалённые события коррелируют. Ведь если мы положим одну из двух перчаток из пары в коробки и отправим их в разные концы планеты, неудивительно, что посмотрев в одну коробку, я могу определить, на какую руку предназначена другая перчатка. Точно так же, во всех случаях корреляция пар EPR должна быть зафиксирована на них, когда они находятся рядом и потому они могут выдержать последующее разделение, будто бы имея память. Странность EPR-парадокса не в самой по себе возможности корреляции, а в возможности её сохранения в виде дополнений.
III
Дэниел Гринбергер, Майкл Хорн и Антон Зейлингер открыли ещё один прекрасный пример квантовой запутанности. ОН включает три наших квантона, находящихся в специально подготовленном запутанном состоянии (GHZ-состоянии). Мы распределяем каждый из них разным удалённым экспериментаторам. Каждый из них выбирает, независимо и случайно, измерять ли цвет или форму и записывает результат. Эксперимент повторяют многократно, но всегда с тремя квантонами в GHZ-состоянии.Каждый отдельно взятый экспериментатор получает случайные результаты. Измеряя форму квантона, он с равной вероятностью получает квадрат или круг; измеряя цвет квантона, он с равной вероятностью получает красный или синий. Пока всё обыденно.
Но когда экспериментаторы собираются вместе и сравнивают результаты, анализ показывает удивительный результат. Допустим, мы будем называть квадратную форму и красный цвет «добрыми», а круги и синий цвет – «злыми». Экспериментаторы обнаруживают, что если двое из них решили измерить форму, а третий – цвет, тогда либо 0, либо 2 результата измерений получаются «злыми» (т.е. круглыми или синими). Но если все трое решают измерить цвет, то либо 1 либо 3 измерения получаются злыми. Это предсказывает квантовая механика, и именно это и происходит.
Вопрос: количество зла чётное или нечётное? В разных измерениях реализовываются обе возможности. Нам приходится отказаться от этого вопроса. Не имеет смысла рассуждать о количестве зла в системе без связи с тем, как его измеряют. И это приводит к противоречиям.
Эффект GHZ, как описывает его физик Сидни Колман, это «оплеуха от квантовой механики». Он разрушает привычное, полученное из опыта ожидание того, что у физических систем есть предопределённые свойства, независимые от их измерения. Если бы это было так, то баланс доброго и злого не зависел бы от выбора типов измерений. После того, как вы примете существование GHZ-эффекта, вы его не забудете, а ваш кругозор будет расширен.
IV
Пока что мы рассуждаем о том, как запутанность не позволяет назначить уникальные независимые состояния нескольким квантонам. Такие же рассуждения применимы к изменениям одного квантона, происходящим со временем.Мы говорим об «запутанных историях», когда системе невозможно присвоить определённое состояние в каждый момент времени. Так же, как в традиционной запутанности мы исключаем какие-то возможности, мы можем создать и запутанные истории, проводя измерения, собирающие частичную информацию о прошлых событиях. В простейших запутанных историях у нас есть один квантон, изучаемый нами в два разных момента времени. Мы можем представить ситуацию, когда мы определяем, что форма нашего квантона оба раза была квадратной, или круглой оба раза, но при этом остаются возможными обе ситуации. Это темпоральная квантовая аналогия простейшим вариантам запутанности, описанным ранее.
Используя более сложный протокол, мы можем добавить чуть-чуть дополнительности в эту систему, и описать ситуации, вызывающие «многомировое» свойство квантовой теории. Наш квантон можно подготовить в красном состоянии, а затем измерить и получить голубое. И как в предыдущих примерах, мы не можем на постоянной основе присвоить квантону свойство цвета в промежутке между двумя измерениями; нет у него и определённой формы. Такие истории реализовывают, ограниченным, но полностью контролируемым и точным способом, интуицию, свойственную картинке множественности миров в квантовой механике. Определённое состояние может разделиться на две противоречащие друг другу исторические траектории, которые затем снова соединяются.
Эрвин Шрёдингер, основатель квантовой теории, скептически относившийся к её правильности, подчёркивал, что эволюция квантовых систем естественным образом приводит к состояниям, измерение которых может дать чрезвычайно разные результаты. Его мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера» постулирует, как известно, квантовую неопределённость, выведенную на уровень влияния на смертность кошачьих. До измерения коту невозможно присвоить свойство жизни (или смерти). Оба, или ни одно из них, существуют вместе в потустороннем мире возможностей.
Повседневный язык плохо приспособлен для объяснения квантовой дополнительности, в частности потому, что повседневный опыт её не включает. Практические кошки взаимодействуют с окружающими молекулами воздуха, и другими предметами, совершенно по-разному, в зависимости от того, живы они или мертвы, поэтому на практике измерение проходит автоматически, и кот продолжает жить (или не жить). Но истории с запутанностью описывают квантоны, являющиеся котятами Шрёдингера. Их полное описание требует, чтобы мы принимали к рассмотрению две взаимоисключающие траектории свойств.
Контролируемая экспериментальная реализация запутанных историй – вещь деликатная, поскольку требует сбора частичной информации о квантонах. Обычные квантовые измерения обычно собирают всю информацию сразу – к примеру, определяют точную форму или точный цвет – вместо того, чтобы несколько раз получить частичную информацию. Но это можно сделать, хотя и с чрезвычайными техническими трудностями. Этим способом мы можем присвоить определённый математический и экспериментальный смысл распространению концепции «множественности миров» в квантовой теории, и продемонстрировать её реальность.
Когда Альберт Эйнштейн поражался «жуткой» дальнодействующей связи между частицами, он не думал о своей общей теории относительности. Вековая теория Эйнштейна описывает, как возникает гравитация, когда массивные объекты деформируют ткань...
Когда Альберт Эйнштейн поражался «жуткой» дальнодействующей связи между частицами, он не думал о своей общей теории относительности. Вековая теория Эйнштейна описывает, как возникает гравитация, когда массивные объекты деформируют ткань пространства и времени. Квантовая запутанность, тот жуткий источник эйнштейновского испуга, как правило, затрагивает крошечные частицы, которые незначительно действуют на гравитацию. Пылинка деформирует матрас ровно так же, как субатомная частица искривляет пространство.
Тем не менее физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк подозревает, что запутанность и пространство-время на самом деле связаны между собой. В 2009 году он рассчитал, что пространство без запутанности не смогло бы удержать себя. Он написал работу, из которой вытекало, что квантовая запутанность является иглой, которая сшивает воедино гобелен космического пространства-времени.
Многие журналы отказались публиковать его работу. Но спустя годы изначального скептицизма изучение идеи того, что запутанность формирует пространство-время, стало одной из самых горячих тенденций в области физики.
«Выходя из глубоких основ физики, все указывает на то, что пространство должно быть связано с запутанностью», - говорит Джон Прескилл, физик-теоретик из Калтеха.
В 2012 году появилась еще одна провокационная работа, представляющая парадокс запутанных частиц внутри и снаружи черной дыры. Менее чем через год два эксперта в этой области предложили радикальное решение: запутанные частицы соединяются червоточинами - туннелями пространства-времени, представленными еще Эйнштейном, которые в настоящее время одинаково часто появляются на страницах журналов по физике и в научной фантастике. Если это допущение верно, запутанность не является жутким дальнодействующим соединением, о котором думал Эйнштейн - а вполне реальным мостом, связывающим удаленные точки в пространстве.
Многие ученые находят эти идеи достойными внимания. В последние годы физики, казалось бы, несвязанных специальностей сошлись на этом поле запутанности, пространства и червоточин. Ученые, которые когда-то были сосредоточены на создании безошибочных квантовых компьютеров, сегодня размышляют, не является ли сама Вселенная квантовым компьютером, который тихо программирует пространство-время в сложной сети запутанностей. «Все прогрессирует невероятным образом», - говорит Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии в Ванкувере.
Физики возлагают большие надежды на то, куда их заведет это соединение пространства-времени с запутанностью. ОТО блестяще описывает, как работает пространство-время; новые исследования могут приоткрыть завесу над тем, откуда берется пространство-время и на что оно похоже на мельчайших масштабах, лежащих во власти квантовой механики. Запутанность может быть секретным ингредиентом, который объединит эти пока что несовместимые области в теорию квантовой гравитации, позволив ученым понять условия внутри черной дыры и состояние Вселенной в первые моменты после Большого Взрыва.
Голограммы и банки с супом
Прозрение Ван Раамсдонка в 2009 году не материализовалось из воздуха. Оно уходит корнями в голографический принцип, идею того, что граница, ограничивающая объем пространства, может содержать всю информацию, в нем заключенную. Если применить голографический принцип к повседневной жизни, то любопытный сотрудник может идеально реконструировать все, что находится в офисе, - кипы бумаг, семейные фотографии, игрушки в углу и даже файлы на жестком диске компьютера - просто глядя на внешние стены квадратного офиса.
Эта идея противоречива, учитывая то, что стены имеют два измерения, а интерьер офиса три. Но в 1997 году Хуан Малдасена, струнный теоретик тогда из Гарварда, привел интригующий пример того, что голографический принцип мог бы раскрыть о Вселенной.
Он начал с анти-де-ситтеровского пространства, которое напоминает пространство-время, в котором преобладает гравитации, но обладает рядом странных атрибутов. Оно изогнуто таким образом, что вспышка света, излученного в определенном месте, в конечном счете вернется оттуда, где появилась. И хотя Вселенная расширяется, анти-де-ситтеровское пространство не растягивается и не сжимается. Из-за таких особенностей кусок анти-де-ситтеровского пространства с четырьмя измерениями (тремя пространственными и одним временным) может быть окружен трехмерной границей.
Малдасена обращался к цилиндру анти-де-ситтеровского пространства-времени. Каждый горизонтальный срез цилиндра представляет состояние его пространства в данный момент, тогда как вертикальное измерение цилиндра представляет время. Малдасена окружил свой цилиндр границей для голограммы; если бы анти-де-ситтеровское пространство было банкой супа, то граница была бы этикеткой.
На первый взгляд кажется, что эта граница (этикетка) не имеет ничего общего с наполнением цилиндра. Пограничная «этикетка», к примеру, соблюдает правила квантовой механики, а не гравитации. И все же гравитация описывает пространство внутри содержимого «супа». Малдасена показал, что этикетка и суп были одним и тем же; квантовые взаимодействия на границе отлично описывают анти-де-ситтеровское пространство, которое закрывает эта граница.
«Две этих теории кажутся совершенно разными, но точно описывают одно и то же», - говорит Прескилл.
Малдасена добавил запутанность в голографическое уравнение в 2001 году. Он представил пространство в двух банках с супом, каждая из которых содержит черную дыру. Затем создал эквивалент самодельного телефона из стаканчиков, соединяющего черные дыры с помощью червоточины - туннеля через пространство-время, впервые предложенного Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году. Малдасена искал способ создать эквивалент такой связи пространства-времени на этикетках банок. Хитрость, как он понял, была в запутанности.
Как и червоточина, квантовая запутанность связывает объекты, которые не имеют очевидных отношений. Квантовый мир - расплывчатое место: электрон может вращаться в обе стороны одновременно, будучи в состоянии суперпозиции, пока измерения не предоставят точный ответ. Но если два электрона запутаны, измерение спина одного позволяет экспериментатору узнать спин другого электрона - даже если партнерский электрон находится в состоянии суперпозиции. Эта квантовая связь остается даже если электроны будут разделять метры, километры или световые годы.
Малдасена показал, что с помощью запутывания частиц на одной этикетке с частицами на другой можно идеально квантово-механически описать соединение червоточиной банок. В контексте голографического принципа, запутанность эквивалентна физическому связыванию кусков пространства-времени вместе.
Вдохновленный этой связью запутанности с пространством-временем, Ван Раамсдонк задался вопросом, насколько большую роль запутанность может играть в формировании пространства-времени. Он представил самую чистую этикетку на банке с квантовым супом: белую, соответствующую пустому диску анти-де-ситтеровского пространства. Но он знал, что, согласно основам квантовой механики, пустое пространство никогда не будет полностью пустым. Оно заполнено парами частиц, которые всплывают и исчезают. И этим мимолетные частицы запутаны.
Поэтому Ван Раамсдонк нарисовал воображаемую биссектрису на голографической этикетке и затем математически разорвал квантовую запутанность между частицами на одной половине этикетке и частицами на другой. Он обнаружил, что соответствующий диск анти-де-ситтеровского пространства начал делиться пополам. Будто бы запутанные частицы были крючками, которые удерживают полотно пространства и времени на месте; без них пространство-времени разлетается на части. По мере того, как Ван Раамсдонк понижал степень запутанности, часть подключенного к разделенным регионам пространства становилась тоньше, подобно резиновой нити, тянущейся от жвачки.
«Это навело меня на мысль, что присутствие пространства начинается с присутствия запутанности».
Это было смелое заявление, и потребовалось время, чтобы работа Ван Раамсдонка, опубликованная в General Relativity and Gravitation в 2010 году, привлекла серьезное внимание. Огонь интереса всполыхнул уже в 2012 году, когда четверо физиков из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре написали работу, бросающую вызов общепринятым убеждениям о горизонте событий, точки невозврата черной дыры.
Истина, скрытая файрволом
В 1970-х годах физик-теоретик Стивен Хокинг показал, что пары запутанных частиц - тех же видов, которые Ван Раамсдонк позже анализировал в своей квантовой границе - могут распадаться на горизонте событий. Одна падает в черную дыру, а другая убегает вместе с так называемым излучением Хокинга. Этот процесс постепенно подтачивает массу черной дыры, в конечном итоге приводя к ее гибели. Но если черные дыры исчезают, вместе с ней должна исчезать и запись всего, что падало внутрь. Квантовая теория же утверждает, что информация не может быть уничтожена.
К 90-м годам несколько физиков-теоретиков, включая Леонарда Сасскинда из Стэнфорда, предложили решение этой проблемы. Да, сказали они, материя и энергия падает в черную дыру. Но с точки зрения внешнего наблюдателя, этот материал никогда не преодолевает горизонт событий; он словно балансирует на его грани. В результате горизонт событий становится голографической границей, содержащей всю информацию о пространстве внутри черной дыры. В конце концов, когда черная дыра испаряется, эта информация утекает в виде излучения Хокинга. В принципе, наблюдатель может собрать это излучение и восстановить всю информацию о недрах черной дыры.
В своей работе 2012 года физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джеймс Салли и Джозеф Полчинский заявили, что в этой картине что-то не так. Для наблюдателя, пытающегося собрать головоломку того, что находится внутри черной дыры, отметили одни, все отдельные части головоломки - частицы излучения Хокинга - должны быть запутаны между собой. Также каждая хокингова частица должна быть запутана со своим оригинальным партнером, который упал в черную дыру.
К сожалению, одной запутанности недостаточно. Квантовая теория утверждает, что для того, чтобы запутанность присутствовала между всеми частицами снаружи черной дыры, должна быть исключена запутанность этих частиц с частицами внутри черной дыры. Кроме того, физики обнаружили, что разрыв одной из запутанностей породил бы непроницаемую энергетическую стену, так называемый файрвол, на горизонте событий.
Многие физики усомнились в том, что черные дыры на самом деле испаряют все, что пытается проникнуть внутрь. Но сама возможность существования файрвола наводит на тревожные мысли. Ранее физики уже задумывались о том, как выглядит пространство внутри черной дыры. Теперь они не уверены в том, есть ли у черных дыр это «внутри» вообще. Все будто смирились, отмечает Прескилл.
Но Сасскинд не смирился. Он потратил годы, пытаясь доказать, что информация не исчезает внутри черной дыры; сегодня он так же убежден, что идея файрвола ошибочна, но доказать этого пока не смог. Однажды он получил загадочное письмо от Малдасены: «В нем было немного, - говорит Сасскинд. - Только ЭР = ЭПР». Малдасена, работающий сейчас в Институте продвинутых исследований в Принстоне, задумался о своей работе с банками супа 2001 года и заинтересовался, могут ли червоточины разрешить мешанину запутанности, порожденную проблемой файрвола. Сасскинд быстро подхватил эту идею.
В статье, опубликованной в немецком журнале Fortschritte der Physik в 2013 году, Малдасена и Сасскинд заявили, что червоточина - технически мост Эйнштейна-Розена, или ЭР - является пространственно-временным эквивалентом квантовой запутанности. (Под ЭПР понимают эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена, который должен был развеять мифологическую квантовую запутанность). Это означает, что каждая частица излучения Хокинга, независимо от того, как далеко она находится от начала, напрямую связана с недрами черной дыры посредством короткого пути через пространство-время.
«Если двигать через червоточину, далекие вещи оказываются не такими уж и далекими», - говорит Сасскинд.
Сасскинд и Малдасена предложили собрать все частицы Хокинга и столкнуть их вместе, пока они не коллапсируют в черную дыру. Эта черная дыра была бы запутана, а значит соединена червоточиной с оригинальной черной дырой. Этот трюк превратил запутанную мешанину хокинговых частиц - парадоксально запутанных с черной дырой и между собой - в две черные дыры, соединенные червоточиной. Перегрузка запутанности разрешилась, и проблема файрвола была исчерпана.
Не все ученые прыгнули на подножку трамвая ЭР = ЭПР. Сасскинд и Малдасена признают, что им предстоит проделать еще много работы, чтобы доказать эквивалентность червоточин и запутанности. Но после обдумывания последствий парадокса файрвола, многие физики соглашаются, что пространство-время внутри черной дыры обязано своим существованием запутанности с излучением снаружи. Это важное прозрение, отмечает Прескилл, поскольку оно также означает, что вся ткань пространства-времени Вселенной, включая тот клочок, который занимаем мы, является продуктом квантового жуткого действия.
Космический компьютер
Одно дело сказать, что вселенная конструирует пространство-время посредством запутанности; совсем другое - показать, как вселенная это делает. Этой сложной задачей занялись Прескилл и коллеги, которые решили рассмотреть космос как колоссальный квантовый компьютер. Почти двадцать лет ученые работали над строительством квантовых компьютеров, которые используют информацию, зашифрованную в запутанных элементах, вроде фотонов или крошечных микросхем, чтобы решать проблемы, с которыми традиционные компьютеры справиться не могут. Команда Прескилла использует знание, полученное в результате этих попыток, чтобы предсказать, как отдельные детали внутри банки с супом могли бы отразиться на заполненной запутанностью этикетке.
Квантовые компьютеры работают, эксплуатируя компоненты, которые находятся в суперпозиции состояний, как носители данных - они могут быть нулями и единицами одновременно. Но состояние суперпозиции очень хрупкое. Избыток тепла, например, может разрушить состояние и всю заключенную в нем квантовую информацию. Эти потери информации, которые Прескилл сравнивает с рваными страницами в книге, кажутся неизбежными.
Но физики ответили на это, создав протокол квантовой коррекции ошибок. Вместо того чтобы полагаться на одну частицу для хранения квантового бита, ученые разделяют данные между несколькими запутанными частицами. Книга, написанная на языке квантовой коррекции ошибок, будет полна бреда, говорит Прескилл, но все ее содержимое можно будет восстановить, даже если половина страниц пропадет без вести.
Квантовая коррекция ошибок привлекла много внимания в последние годы, но теперь Прескилл и его коллеги подозревают, что природа придумала эту систему уже давно. В июне, в журнале Journal of High Energy Physics, Прескилл и его команда показали, как запутывание множества частиц на голографической границе идеально описывает одну частицу, притягиваемую гравитацией внутри куска анти-де-ситтеровского пространства. Малдасена говорит, что эта находка может привести к лучшему пониманию того, как голограмма кодирует все детали пространства-времени, которое окружает.
Физики признают, что их размышления должны пройти долгий путь, чтобы соответствовать реальности. В то время как анти-де-ситтеровское пространство предлагает физикам преимущество работы с хорошо определенной границей, у Вселенной нет такой четкой этикетки на банке с супом. Ткань пространства-времени космоса расширяется с момента Большого Взрыва и продолжает делать это в нарастающем темпе. Если вы отправите луч света в космос, он не развернется и не вернется; он будет лететь. «Непонятно, как определить голографическую теорию нашей Вселенной, - писал Малдасена в 2005 году. - Просто нет удобного места для размещения голограммы».
Тем не менее, как бы странно ни звучали все эти голограммы, банки с супом и червоточины, они могут стать перспективными дорожками, которые приведут к слиянию квантовых жутких действий с геометрией пространства-времени. В своей работе над червоточинами Эйнштейн и Розен обсудили возможные квантовые последствия, но не провели соединения со своими ранними работами по запутанности. Сегодня эта связь может помочь объединить квантовую механику ОТО в теорию квантовой гравитации. Вооружившись такой теорией, физики могли бы разобрать загадки состояния юной Вселенной, когда материя и энергия умещались в бесконечно малой точке пространства. опубликовано
Загрузка...