Запутанная Вселенная: могут ли кротовые норы вместе удержать Вселенную?

 

Зашифрованное письмо от Хуана Мальдацены, отправленное им по электронной почте приятелю-физику Леонарду Сусскинду в 2013 году, дало ключ к решению парадоксов, вращающихся вокруг черных дыр, и, возможно, таким образом объединило квантовую теорию с общей теорией относительности. Оно содержало простое равенство: ЭР = ЭПР. Это короткое уравнение обещает наладить связь между двумя сильно различающимися частями физики, выдвинутыми Альбертом Эйнштейном.

 

Общая теория относительности Эйнштейна всегда проходила экспериментальные проверки, но мы знаем, что в ней чего-то не хватает. Теория описывает пространство-время как податливую, гладкую и лишенную особенностей декорацию реальности. Даже в экстремальном случае черных дыр пространство-время гладкое. Но в 70-е годы XX века физики Яаков Бекенштейн и Стивен Хокинг получили странный результат: черные дыры обладают температурой, а следовательно и свойством, называемым энтропией. Это переводит нас в область квантовой теории, где все распространяется дискретными порциями. Энтропия является мерой того, сколькими способами вы можете организовывать различные составляющие системы, например числа расположений атомов в газе. Более вероятные конфигурации означают более высокую энтропию. Но если черная дыра – это всего лишь гладкое пространство-время, она не должна иметь подструктуры и, соответственно, обладать энтропией. Для многих это является указанием на недостаток в теории Эйнштейна.

Эйнштейн аналогично относился к квантовой теории. В 1935 году статья, которую он написал вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном, выявила свойство квантового мира, в котором частицы могут мгновенно воздействовать друг на друга, даже находясь на противоположных концах Вселенной. С точки зрения Эйнштейна, это «жуткое действие на расстоянии» – квантовая запутанность, как ее стали называть, – было абсурдным. А около черных дыр, где запутанность встречается с общей теорией относительности, она создает все те парадоксы, которые мы до сих пор не способны устранить.

Поразительное озарение Мальдацены, пришедшее к нему в 1997 году, дало новую надежду на разрешение этой проблемы и понимание того, как встречаются гравитация и квантовая механика. Он предположил, что уравнения, описывающие гравитацию в некоторой области пространства-времени, были точно такими же, как квантовые уравнения системы, описывающей поверхность той области. Если вы можете решить уравнения для поверхности, вы можете получить жизнеспособную теорию, описывающую гравитацию внутри. Другие физики обнаружили, что эта «двойственность Мальдацены» работала, хотя они не знали почему.

В 2001 году Мальдацена привел интригующий пример, возвращаясь назад к статье, написанной Эйнштейном, снова вместе с Розеном, в 1935 году. Эта статья выявила еще одну особенность черных дыр. Она показала, как две черные дыры можно соединить коротким отрезком пространства-времени, известным как мост Эйнштейна – Розена, или кротовая нора. Согласно двойственности Мальдацены, кротовая нора может образоваться, только если поверхности двух черных дыр квантово запутаны. В 2009 году физик-теоретик Марк ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии думал над тем, что произошло бы при медленном уменьшении величины запутанности между черными дырами. Ответ был очень похож на растягивание двух концов куска жевательной резинки. Кротовая нора становится тоньше, пока не разорвется, и в итоге вы получаете два изолированных куска пространства-времени (см. рис. 8.4). Если обратить процесс, повышая запутанность, то кротовая нора начнет образовываться снова.

 

Рис. 8.4. Ткань реальности: она может быть соткана из квантовой запутанности.

 

Потребовалось еще несколько лет для достижения понимания, а также до отправки Мальдаценой того возбужденного письма с уравнением ЭР = ЭПР. Часть ЭР относилась к статье Эйнштейна, написанной вместе с Розеном и вводящей концепцию кротовых нор, а ЭПР – к статье, которую он написал с Подольским и Розеном в тот же год, вводя концепцию запутанности. Что если кротовые норы и запутанность являются сторонами одной медали – той же самой физики, но в разных обличьях?

Этот принцип дает некоторое объяснение явлению, выявленному в работе ван Раамсдонка, где пространство-время в форме кротовых нор может быть создано и разрушено просто регулированием числа запутанностей. Этим предлагается радикальная идея: все пространство-время – это проявление запутанности.

Означает ли это, что когда, квантовая запутанность существует между двумя частицами, скажем фотонами в лабораторном эксперименте, они соединены микроскопической кротовой норой? Мы не знаем. До сих пор вся работа проделывалась с пространством-временем, которое не расширяется. Ван Раамсдонк и другие работают над распространением результатов на расширяющееся, ускоряющееся пространство-время, составляющее наш космос.

Не всех убедили такие радикальные нововведения, но для тех, кто причастен, это самый оптимистичный путь к теории квантовой гравитации, которая сможет объединить силы природы. Принцип ЭР = ЭПР – это то, чему теория квантовой гравитации должна подчиняться, говорят Мальдацена и Сусскинд. Последний рассуждает дальше: квантовая запутанность – это форма общей информации, так что пространство-время может быть проявлением квантовой информации.

Если учесть, что Эйнштейн разработал идеи как кротовых нор, так и запутанности, можно только гадать, что бы он еще построил из них.

 

 

Может ли квантовая механика рассказать нам, что произошло до Большого взрыва?

Общая теория относительности утверждает, что Вселенная началась с сингулярности, где все ее вещество и энергия были сжаты в точку. Она также гласит, что законы физики нарушаются на сингулярности, так что невозможно предсказать, что там случилось.

Но некоторые космологи предполагают, что там произошел «большой отскок», в котором наша Вселенная выросла из пепла раннего космоса, а он в свою очередь закончился «большим сжатием» – процессом, который должен повториться, когда нынешней Вселенной придет конец. «Большой отскок» был смоделирован с использованием петлевой квантовой гравитации, но этот подход потерпел неудачу, когда физики изучили детали.

Новая идея от Нила Турока из Института теоретической физики в Ватерлоо (Канада) и Стеффена Гилена из Имперского колледжа Лондона также дает нам толчок. Они используют принцип физики элементарных частиц: на очень высоких энергиях вещество ведет себя как свет. В частности, оно перестает зависеть от масштабов – уравнения, описывающие его поведение, те же самые, независимо от энергии света или размера Вселенной, его содержащей. Согласно Туроку, это означает, что Вселенная может сжаться до нуля и появиться снова, а свет при этом ничего не узнает.

Применяя этот принцип к полностью гладкой и одинаковой во всех направлениях Вселенной, они предсказывают космос, отскакивающий через сингулярность посредством процесса, подобного квантовому туннелированию, позволяющему электронам проходить сквозь стены или другие барьеры. Следующий шаг – отбросить некоторые из тех предположений и попытаться сделать Вселенную с квантовыми флуктуациями, приводящими к возникновению крупномасштабных структур, например галактик.

 

Заключение

 

Из математического маневра Макса Планка, совершенного в далеком 1900 году, вырос совершенно новый взгляд на мир, где наша надежная старая добрая реальность заменена на неопределенности, «раздвоенные личности» и жуткие связи, которые могут протягиваться через космос.

 

Вот уже более века квантовая механика правит микромиром частиц, но сейчас, благодаря новому расцвету квантовых технологий, дело идет к ее проникновению еще дальше в макромир: в форме повседневных потребительских устройств, сообщающих, где мы и сколько времени, обнаруживающих закопанные сокровища, заглядывающих за угол и с легкостью проводящих вычисления, которые когда-то были неосуществимы.

Даже сейчас, когда мы учимся использовать всю таинственность квантовой механики, среди нас нет общего согласия насчет того, что на самом деле эта теория означает. Указывает ли она на особый статус сознания или на вереницу трамплинов, ведущих частицу, или, может быть, на множественность вселенных? Ставит ли она под угрозу причинность? Есть ли более фундаментальный уровень, лежащий за квантовым? Кажется, что наши идеи находятся в своего рода квантовой суперпозиции.

Чтобы сколлапсировать эту философскую волновую функцию и найти истинную природу квантовой реальности, мы должны, как утверждают некоторые, смотреть на небеса. Ответ может быть написан в реликтовом фоновом излучении или на горизонте событий черной дыры. Или, может быть, нам просто нужна традиционная научная революция: собрать вместе новое поколение исследователей с непредвзятым мышлением, немного гениев, удачи и технологий и в результате появится какая-нибудь невероятная идея, реально имеющая смысл. Или, наверно, мы можем научиться жить с таинственностью? Просто играясь с квантовыми симуляторами и другими технологическими игрушками, использующими суперпозицию и запутанность, возможно, мы придем к тому, что будем воспринимать эти явления менее чуждыми и более интуитивными и удивляться, почему наши предки не могли выйти за пределы их классической рутины.

Если все это не получится, то, может быть, ответ ожидает появления гигантского квантового компьютера будущего и того, кто будет работать над правильным вопросом, который нужно задать ему.

 

Идей

 

Этот раздел поможет вам изучить предмет более детально, чем просто с помощью обычного списка литературы.

 

Мест для квантового туризма

 

1. Копенгаген, Дания. Город сыграл огромную роль в рождении и развитии квантовой теории. Начните путешествие с улицы Вед-Странден, на которой 7 октября 1885 года в доме 14 родился Нильс Бор. Это был дом его бабушки и дедушки; памятная табличка на здании отмечает знаменитого жителя. Затем пройдите на улицу Бредгаде (или Броуд-стрит) к дому 62, где Бор жил до защиты докторской диссертации в 1911 году. Сейчас там Медицинский музей. Также посетите Институт Нильса Бора, который был местом встречи гениальных молодых физиков, работавших над квантовой теорией и улучшивших ее в 20-е и 30-е годы XX века. Лекционный зал института и личный кабинет Бора сохранены в прежнем виде и открыты для посетителей.

Сайт Института Нильса Бора: http://www.nbi.ku.dk/english/news/news13/niels-bohr-institute-named-historic-site/

 

2. Пивоваренная компания Carlsberg  , Копенгаген. Нильс Бор получал гранты от Фонда Carlsberg с 1911 года. После того, как он был удостоен Нобелевской премии, представители компании подарили ему дом рядом с заводом – Почетную резиденцию Carlsberg. Он переехал туда в 1931 году, и там у него было много дискуссий с Эйнштейном, Гейзенбергом и другими единомышленниками. Музей Carlsberg и выставочный центр открыты для посетителей и позволяют заглянуть в дом, где Бор жил до своей смерти в 1962 году.

Сайт компании: http://www.visitcarlsberg.com/

 

3. Вестминстерское Аббатство в Лондоне (Великобритания). Здесь заложена плита в память Поля Дирака, на которой высечено его знаменитое уравнение, описывающее квантовое поведение электрона.

 

4. Белфаст (север Ирландии). Джон Стюарт Белл, чья математическая работа в 60-е годы XX века открыла путь экспериментальным проверкам квантовой таинственности, пожалуй, величайший из ученых родом с севера Ирландии. В Белфасте, его родном городе, одну из улиц в 2015 году переименовали в «Полумесяц теоремы Белла» (Bell’s Theorem Crescent), чтобы обойти правило, запрещающее называть улицы в честь людей.

 

5. ЦЕРН в Женеве. Там не только работал теоретик Джон Белл (см. выше), но и было сделано большинство прорывных экспериментальных открытий, доказавших, что наша модель, основанная на квантовой теории, верна.

 

6. Остров Гельголанд у северного побережья Германии. Именно там в 1925 году Вернер Гейзенберг разработал математическую модель квантовых частиц. Памятная табличка в честь этого прорыва была открыта в 2000 году.

 

7. Отель «Метрополь» в Брюсселе. Здесь была сделана знаменитая фотография пионеров квантовой механики (см. рис. 1.5). На ней есть Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, Шрёдингер и другие ведущие ученые того времени. Их сфотографировали в 1927 году во время Сольвеевского конгресса, на котором обсуждалась новая область квантовой механики.

 

8. Город Ульм (Германия) – место рождения Альберта Эйнштейна. Дом, где родился Эйнштейн, находился рядом с железнодорожным вокзалом, также в этом городе на юге Германии есть другие памятники, посвященные этому великому человеку.

 

9. Параллельные вселенные. В настоящее время нет известного способа посетить параллельные миры (в предположении, что они существуют), даже если вы могли бы нарушить законы физики. Однако путешествие между вселенными может быть реальным, если вы готовы ждать (очень-очень) долго. Физик Митио Каку из Городского университета Нью-Йорка считает, что триллионы лет спустя люди разработают технологии путешествий в другие вселенные, чтобы избавиться от смерти в нашей.

 

Анекдотов

 

1. Нильс Бор был вратарем уважаемого датского футбольного клуба (его брат Гарольд играл в национальной команде).

 

2. Французский пионер квантовой физики Луи де Бройль сначала получил историческое образование и всю Первую мировую войну служил радиоинженером на Эйфелевой башне.

 

3. В доме Нильса Бора из крана текло бесплатное пиво.

 

4. Эрвин Шрёдингер представил своего кота не для иллюстрации квантовой таинственности, а в качестве доказательства приведением к абсурду того, что квантовая теория, должно быть, неверна.

 

5. На вопрос, был ли на самом деле у Шрёдингера кот, ответа так и нет. Но говорят, что, когда он пребывал в Оксфордском университете, у него был кот по кличке Мильтон. Судьба Мильтона неизвестна.

 

6. Вольфганг Паули, выведший принцип запрета, названный в честь него, был озабочен числом 137 и, по легенде, умер в палате № 137 Больницы Красного Креста в Цюрихе в декабре 1958 года.

 

7. Паули был также печально известен за свою способность заставлять эксперименты и оборудование исчезать, ломаться или не срабатывать, просто находясь поблизости. Она была даже названа эффектом Паули.

 

8. У Шрёдингера было множество романов, которые, как предполагается, вдохновляли его на прозрения. Когда во время Второй мировой войны он был отправлен в Дублин, оказалось, что у него были две «жены» и что он был отцом двоих девочек от разных женщин.

 

9. Шрёдингер, часто носящий бабочку, будучи студентом, был отличником по восточным религиям, а также писал стихи.

 

10. Макс Планк, основатель квантовой теории, был глубоко религиозным человеком и в 1937 году написал: «И религия, и естествознание нуждаются в вере в Бога».

 

11. Этторе Майорана был теоретиком в области физики частиц, чья жизнь имела отголоски квантовой теории. Он пропал без вести во время рейса на пароходе из Палермо в Неаполь в 1938 году. Его тело так и не нашли, но и его никогда больше не видели, поэтому он жил в состоянии кота Шрёдингера, будучи одновременно живым и мертвым (хотя прокуратура Рима в 2015 году заключила, что по крайней мере между 1955 и 1959 годами он проживал в Венесуэле).

 

12. Люди постоянно останавливали Альберта Эйнштейна на улице, и он придумал уловку. С очень сильным акцентом он говорил: «Простите меня, извините. Меня все путают с Эйнштейном».

 

13. Легендарно молчаливый Поль Дирак имел странное увлечение Микки Маусом, а в свои последние годы питал сильную симпатию к певице Шер.

 

Цитат

 

Неверно, что пионеры квантовой механики не имели никаких проблем с квантовой таинственностью, обнаруженной ими.

 

1. «На самом деле я не так много думал об этом», – Макс Планк о своем открытии того, что энергия может существовать только в определенных количествах, названных квантами.

 

2. «Spukhafte Fernwirkung», – эта фраза Альберта Эйнштейна по-немецки означает «жуткое действие на расстоянии», ее он использовал для высмеивания концепции запутанности.

 

3. «Бог не играет в кости с миром», – Эйнштейн много раз использовал эту фразу в разных вариантах, и она по-прежнему наиболее цитируема каждым, кто выражает свое недоумение по поводу того, как наш внешне твердый мир классической реальности может появиться из расплывчатых неопределенностей сферы квантового.

 

4. «Всякий, кто не шокирован квантовой теорией, не понял ее», – Нильс Бор.

 

5. «Мы все согласны, что ваша теория безумна. Вопрос, который разделяет нас, состоит в том, является ли она достаточно безумной, чтобы обладать шансом быть правильной», – сказал Бор Вольфгангу Паули в 1958 году.

 

6. «Вселенная не только более странная, чем мы думаем, она более странная, чем мы можем думать», – объяснял Вернер Гейзенберг тот факт, почему мы не можем полностью принять следствия квантовой теории.

 

7. «Мне она не нравится, и я сожалею, что когда-либо имел дело с ней», – мнение Эрвина Шрёдингера о его интерпретации квантовой механики.

 

8. «Я сделал ужасную вещь, я постулировал частицу, которую нельзя обнаружить», – Вольфганг Паули после предположения о существовании нейтрино.

 

9. «Этот ад… обречен с самого начала», – поездка Хью Эверетта в Копенгаген в 1959 году с целью объяснения своей многомировой гипотезы Нильсу Бору не прошла успешно.

 

10. «Заткнись и считай!» – эта печально известная характеристика того, как многие квантовые физики, особенно придерживающиеся доминирующей Копенгагенской интерпретации, обходятся с философскими головоломками, загаданными предметом их исследования, часто приписывается Ричарду Фейнману, у которого всегда был под рукой афоризм или даже два. На самом деле, по-видимому, первым ее использовал физик Дэвид Мермин в 1989 году, через год после смерти Фейнмана, хотя в подлинном духе квантовой теории даже в случае Мермина не ясно, что это был именно он.

 

Квантовых шуток

 

1. Полицейский останавливает Гейзенберга и Шрёдингера за превышение скорости. Он спрашивает Гейзенберга: «Вы знаете, насколько быстро ехали?»

Гейзенберг отвечает: «Но мы точно знаем, где находимся».

Полицейский сердится и требует, чтобы Гейзенберг открыл багажник.

«Эй, вы знаете, что там кот и он мертвый?!» – кричит полицейский.

Шрёдингер гневно отвечает: «Ну, теперь он точно мертвый».

 

2. – Что говорит один фотон другому?

– Мне надоела ваша интерференция.

 

3. Граффити на стене: «Вероятно, здесь был Гейзенберг».

 

4. Если бы «Титаник» столкнулся с Гейзенбергом, плавал ли бы он снова?

 

5. – Почему от квантовых физиков нет никакого толка в постели?

– Потому что когда они находят позу, они не могут предаться возбуждению, а когда они возбуждаются, то не могут найти позу.

 

6. – Почему квантовая частица не переходит через дорогу?

– Потому что она уже на обеих сторонах.

 

7. – В чем разница между автомехаником и квантовым механиком?

– Квантовый механик может завезти машину в гараж, не открывая ворота.