Лайфхаки

Маленькие, полезные хитрости

Квантовые частицы могут быть соединены через червоточины пространства - времени.

24.11.2015 в 22:25

Запутанные чёрные дыры.

Сто лет назад после разработки Эйнштейном общей теории относительности, физики всё ещё не могут разобраться с пожалуй, одной из наиболее сложных проблем несовместимости во вселенной. Эйнштейн описал ландшафт пространства - времени похожим на картину Сальвадора дали - плавный, бесшовный, без разрывов, геометрический. Но квантовые частицы, заполняющие пространство, больше похожи на творение Жорж - Пьера сёра - точечное, дискретное, описываемое вероятностями
. Основы этих двух описаний противоречат друг другу. Однако новая идея предполагает, что квантовые корреляции разных точек картины импрессиониста создают не только ландшафты дали, но и холст, на который они нанесены - а также и трёхмерное пространство вокруг них. Эйнштейн, как это с ним часто бывает, находится в центре всего этого, всё ещё разворачивая наши теории с ног на голову. Описание новой идеи, ER = EPR - будто инициалы, вырезанные на дереве. Это объединение двух идей, предложенных Эйнштейном в 1935 году. Одна - парадокс Эйнштейна - Розена - подольски (EPR), "Пугающее Дальнодействие" между двумя элементарными частицами (Spooky Action at a Distance.

Вторая - связь двух чёрных дыр через червоточины (мост Эйнштейна - Розена, ER. Во время рождения этих идей между ними не просматривалось никакой связи. Парадокс EPR даже попал на страницы газет. Но что, если принять, что эти две идеи - проявления одного и того же? Тогда эта связь окажется основой всего пространства - времени. Квантовая запутанность, которая так беспокоила Эйнштейна, будет проявлением пространственных связей, сшивающих пространство, как говорит Леонард саскинд, физик стэнфордского университета и один из авторов идеи. Без таких связей пространство распалось бы на "Атомы", по мнению Хуана малдацены, физика из принстонского института перспективных исследований, со - автора идеи. "Иными Словами, Сплошная и Надёжная Структура Пространства - Времени Возможна Лишь Благодаря Незримым Запутанностям", - говорит он. Более того, гипотеза ER = EPR может пролить свет на связь гравитации и квантовой механики. Конечно, не всем эта идея нравится (а по мнению саскинда и не должна - она ещё в зачаточном состоянии. Джо полчински, исследователь из калифорнийского университета в Санта - Барбаре, осторожен в своих оценках, но заинтересован: "Не Знаю, Куда это всё Движется, но Выглядит Достаточно Интересно".

Войны чёрных дыр.

Дорога, приведшая к ER = EPR сама по себе похожа на лист Мёбиуса, переходя сама в себя и напоминая рисунки Эшера. Начать можно с квантовой запутанности. В том случае, если две частицы запутаны, они превращаются в две части одного целого. Что случается с одной, случается с другой, независимо от расстояния между ними.
Хуан малдацена объясняет это на примере пары перчаток: если вы нашли правую, вы сразу же знаете, что другая будет левой. В этом нет ничего пугающего. Но в квантовой механике обе перчатки сразу и левые, и правые (и все промежуточные варианты), пока вы не проведёте наблюдения над одной из них. Что ещё страньше - левая перчатка не становится левой, пока вы не найдёте правую - и в этот момент они обе обретают свои свойства. Запутанность тесно связана с открытием Стивена хокинга от 1974 года того факта, что чёрные дыры испаряются. В пространстве постоянно появляются пары виртуальных частиц материи и антиматерии. Хокинг понял, что если одна частица упадёт в чёрную дыру, а другая сбежит от неё, то дыра будет испускать излучение. Через достаточное количество времени дыра исчезнет, что поднимает вопрос об информации, исчезающей вместе с ней. Но законы квантового мира уничтожение информации запрещают. Поэтому возникает вопрос - будет ли информация, попавшая в чёрную дыру, просто зашифрованной, или же она действительно исчезнет?

Споры по этому поводу привели к т. н. "Войнам Чёрных дыр". В конце концов саскинд понял, что вся информация, упавшая в дыру, попадает в ловушку её двумерного горизонта событий. И всё хранится в нём, будто в голограмме. Это как если бы биты информации, необходимые для воссоздания вашего дома и всего его содержимого, могли бы разместиться на его стенах. Информация не теряется - она шифруется и хранится вне доступа. Продолжив работу над идеей, саскинд и малдацена начали использовать голографию не только для понимания чёрных дыр, но и любого участка пространства, который можно описать его границами. За последние десять лет безумная идея, что пространство - это голограмма, превратилась в обыденную, в инструмент физиков, используемый везде, от космологии до сверхплотной материи. "Одно из тех событий, случающихся с научными идеями, состоит в том, что они из безумной идеи переходят в хорошую идею, а затем - в рабочий инструмент, - говорит саскинд. Это уже стало рутиной".

Голография была связана с тем, что происходит на границах объектов, включая горизонт событий чёрной дыры. Остался вопрос - что же происходит внутри. Поскольку никакая информация не может покинуть внутренности горизонта событий, законы физики запрещают непосредственные проверки внутренностей чёрной дыры. Затем в 2012 году физики алмхейри, маролф, полчински и Салли - все из Санта - Барбары, пришли к такому странному выводу, что можно было сказать - погодите - ка. Мы ничего не знаем. Т. н. работа Amps (по инициалам авторов) говорит, что у чёрных дыр вообще может не быть внутренностей, поскольку "Стена Огня" на горизонте событий уничтожит всё, что попробует раскрыть их секреты.

Измеряя огневую стену.

Суть работы в следующем: если горизонт событий чёрной дыры - плавное и обыкновенное место, как предсказывает то (авторы называют это условие "без Драматизма"), частицы, вылетающие из чёрной дыры, должны быть запутаны с частицами, падающими в дыру. Но для того, чтобы не потерять информацию, частицы, вылетающие из дыры, должны быть также запутаны с теми, что уже давно покинули дыру и теперь рассеяны где-то по всему излучению хокинга. Получается, у нас есть слишком много запутанностей.

Запутанность не может существовать между тремя частицами одновременно - только у каждой пары частиц. "Полигамность" в квантовом мире невозможна, а значит, в "жерле" чёрной дыры не может существовать гладкое и протяжённое пространство - время. Поломка запутанности на горизонте означает наличие там некоей границы пространства - стены огня. Стивен шенкер, физик из стэнфорда, назвал работу Amps "Спусковым Крючком". Физики любят такие парадоксы - они представляют собой плодородную почву для открытий. Саскинд и малдацена сразу ухватились за идею. Они работали над своими запутанностями и червоточинами, вдохновляясь работой марка ван раамсдонка, физика из университета британской Колумбии в Ванкувере. Он совершил важный мысленный эксперимент, предполагающий, что запутанность и пространство - время сильно связаны между собой. "Как-то раз, - говорит саскинд, - Хуан отправил мне загадочное сообщение, содержавшее уравнение ER = EPR. Я сразу понял, что он имеет в виду, и мы начали обсуждать идею". Они представили свои мысли в работе 2013 года "Холодные Горизонты Запутанных Чёрных дыр", описывая запутанность, которую проглядели авторы Amps - ту, что связывает пространство вместе. Amps предположили, что части пространства внутри и снаружи горизонта событий независимы. Но саскинд и малдацена считают, что частицы с любой стороны границы могут быть соединены через червоточину, и это может разрешить парадокс. Картинку из работы некоторые шутя называют "Осьминогом" - множество червоточин идут из внутренностей чёрной дыры к радиации хокинга снаружи. Иными словами, не нужно придумывать запутанность, создающую странности на гладкой поверхности жерла чёрной дыры. Частицы внутри неё будут непосредственно соединены с частицами снаружи, которые уже давно улетели вдаль. Не надо переходить через горизонт. Внутренние и наружные частицы составляют одно целое, как поясняет малдацена. Осьминог объединяет внутренности чёрной дыры с частицами из облака радиации хокинга.

Дырки в дыре.

Пока нет уверенности в том, что ER = EPR разрешит проблему огневой стены. Джон прескил, физик из калифорнийского технологического института, напоминает, что иногда физики полагаются на свой нос, чтобы "Вынюхивать" многообещающие теории. И на первый "нюх" теория ER = EPR "может пахнуть свежо и приятно, но ей ещё надо дозреть на полочке". Тем не менее, шенкер утверждает, что соответствие между запутанностью частиц и геометрией плавно изогнутого пространства - времени - это большое дело. Это позволило ему с его коллегой из института перспективных исследователей поработать со сложными задачами квантового хаоса таким образом, что, как говорит шенкер, "эта Простая Геометрия Была Понятна Даже мне". ER = EPR не описывает любую часть любого пространства или любую запутанность. Она к особой запутанности и особым червоточинам подходит. Маролф, который недавно опубликовал работу, описывающую червоточины с более чем двумя концами, считает, что физикам известно об этих ограничениях. ER = EPR работает в особых случаях, но Amps утверждает, что огневая стена представляет гораздо более широкую задачу. Маролф и другие беспокоятся, что ER = EPR изменит стандартную квантовую механику. "Есть ощущение, что эту штуку понимают только Ленни и Хуан, - говорит маролф. Но, всё равно, в интересное время для науки мы работаем".