04.12.2013

Феномен червоточин связали с квантовой запутанностью

Расколотая надвое современная физика описывает мир субатомных частиц и мир гигантских космических объектов разными теориями, которые никак не соотносятся друг с другом, но идеально подходят для своих целей. Великий Альберт Эйнштейн, который был ярым противником квантовой физики, бывшей в его времена ещё экстравагантной новинкой, создал знаменитую Теорию относительности, которую впоследствии дополняло не одно поколение учёных.

Эйнштейновскими теориями исследователи описывают явления, которые разворачиваются в макромире, то есть в космическом пространстве. Модель, составленная легендарным физиком, предполагает, что некоторые небесные тела столь массивны, что гравитационно искривляют пространство-время. А всё, что способно хоть минимально изменить привычный нам ход событий, наталкивает на идеи о фантастических путешествиях во времени, которые действительно в один прекрасный день могут стать реальностью.

В другом "углу ринга" стоит квантовая механика и её сторонники. Это невероятно точный раздел современной физики, описывающий поведение не гигантских звёзд и чёрных дыр, а микроскопических элементарных частиц. Несмотря на то, что обе теории верны, они совершенно не соотносятся друг с другом: квантовая механика не способна предсказать поведение галактик, а Эйнштейн не сумеет описать поведение субатомной частицы в квантовой системе.

На протяжении долгих десятилетий многие поколения физиков пытаются примирить враждующие теории и создать некую единую модель. Ведь природа играет по каким-то одним правилам и просто не может подстраивать их под размеры взаимодействующих тел, будь то чёрная дыра или протон.

Некоторые исследователи в определённой степени достигли успеха в объединении макро- и микромира. Новейшая работа физиков-теоретиков из США является математической, то есть гипотетической моделью, но всё же вполне убедительно объединяет ОТО и квантовую механику.

Чтобы понять, о чём написали физики в свой статье, которая вышла в журнале Physical Review Letters, необходимо разобраться с несколькими понятиями. Первое из них пришло из квантовой механики и называется квантовой запутанностью.

Здесь проще начать с примера. Представьте себе, что вы берёте в руки монетку и подбрасываете её в воздух. У монетки две стороны: "орёл" и "решка". Спустя пару секунд, вы ловите монетку и приземляете её у себя на ладони, затем смотрите и видите лишь одну сторону.

Примерно то же самое происходит и с элементарными частицами в квантовой системе. Допустим, частица вращается в двух направлениях одновременно, назовём их направлением "орёл" и направлением "решка". Когда вы решаете "взглянуть" на частицу, то есть измерить её квантовое состояние, то окажется, что она находится лишь в одном состоянии, хотя до того, как вы вмешались, их было два.

Теперь чуть сложнее. Специалисты в области квантовой физики запросто могут себе представить две частицы (в некоторых случаях, две части одной частицы), разделённые миллиардами световых лет, но связанные некой таинственной квантовой связью — запутанностью. Пусть они обе находятся на разных концах Вселенной и обе вращаются в двух направлениях одновременно. В какой-то момент некий физик измеряет квантовое состояние одной из них и определяет, что оно эквивалентно "орлу". С уверенностью можно заявить, что частица на противоположном конце Вселенной находится в квантовом состоянии "решка".

В действительности, частицы в квантовой системе больше напоминают не двухсторонние монетки, а шестигранные игральные кости. По этому поводу Эйнштейн когда-то сказал: "Бог не играет в кости". Спустя много лет другой, не менее известный физик Стивен Хокинг ответил: "Бог не только играет в кости, но и забрасывает их туда, где их не видят".

Другое явление, важное для понимания новой модели, называется червоточиной или кротовой норой. Этот термин пришёл из макромира и существует лишь благодаря Теории относительности Эйнштейна, предполагающей гравитационное искривление пространства-времени.

Если некий объект, к примеру, чёрная дыра, достаточно массивен, то он способен создать в пространстве-времени туннель, который ничто не может покинуть. Две чёрные дыры, удалённые друг от друга на большое расстояние, создают между собой трубу, по которой гипотетически можно путешествовать не только в пространстве, но и во времени.

На первый взгляд, оба этих явления (квантовая запутанность и червоточины) создают опровержение знаменитому убеждению, что ничто не может двигаться быстрее света. Тем не менее, проверять это на практике физики не рекомендуют. Квантовую запутанность невозможно применять для передачи сигналов, а путешествовать по кротовой норе бессмысленно, ведь в конце вы всё равно попадёте в чёрную дыру.

И всё же, явления настолько похожи, что этого трудно не заметить. В июне 2013 года два теоретика, Хуан Мальдасена (Juan Maldacena) из Принстона и Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфорда, представили, как будто две чёрные дыры находятся в состоянии квантовой запутанности друг с другом. В результате выяснилось, что при таких условиях между ними образуется пространственно-временной канал, всеми свойствами похожий на червоточину.

Теперь же учёные заговорили об обратном: нужно попытаться создать червоточину между двумя субатомными частицами — например, кварками, составляющими протоны и нейтроны. Необычным математическим экспериментом занимались Кристан Дженсен (Kristan Jensen) из Университета Виктории в Канаде и Андреас Карч (Andreas Karch) из Вашингтонского университета.

Учёные представили себе пару частиц кварк-антикварк, которые разлетаются в разных направлениях со скоростью, близкой к световой, и находятся в состоянии квантовой запутанности. Трёхмерное пространство, в котором "живут" кварк и антикварк, по словам Дженсена и Карча, является границей четырёхмерной Вселенной. И если в нашем мире связь между частицами есть всего лишь проявление квантовой запутанности, то в четырёх измерениях она предстанет в виде червоточины.

Данную гипотезу подтвердил своими вычислениями другой физик, Джулиан Соннер (Julian Sonner) из Массачусетского технологического института. Он представлял пару кварк-антикварк, возникшую в сильном электрическом поле и направленную с ускорением в противоположные точки. Об аналогичных выводах Соннер сообщил в своей статье, также опубликованной в журнале Physical Review Letters.

В своих вычислениях физики использовали так называемый голографический принцип, ранее подробно описанный Мальдасеной. Этот принцип гласит, что квантовая теория, включающая гравитацию, в данном пространстве эквивалентна квантовой теории, исключающей гравитацию, в пространстве на одно измерение меньше.

"Червоточина и квантовая запутанность не могут существовать в одной Вселенной, но математически они полностью идентичны", — поясняет Карч в пресс-релизе Вашингтонского университета.

А раз мы наблюдаем оба явления, то возникает ещё более интересный вопрос, чем о возможности путешествий во времени: возможно, где-то существует и четырёхмерная, и двухмерная Вселенные?

Ася Горина

Источники:

1. Вести.Ru