Содержание
В декабре 2022 года Нобелевская премия по физике была присуждена за экспериментальное подтверждение таинственного явления, известного уже более 80 лет: квантовой запутанности. Как и предполагалось Альбертом Эйнштейном с его сотрудниками в 1935 году, квантовые объекты могут таинственным образом взаимодействовать, даже если их разделяют невероятно большие расстояния. Но каким бы странным ни казалось это явление, почему такая старая идея до сих пор достойна самой престижной премии в области физики?
По совпадению, всего за несколько недель до чествования новых нобелевских лауреатов в Стокгольме другая группа выдающихся ученых из Гарварда, Массачусетского технологического института, Калтеха, Фермилаба и Google сообщила, что они запустили на квантовом суперкомпьютере Google процесс, который можно интерпретировать как червоточину. Напомним, что червоточины – это туннели во Вселенной, которые могут использоваться как кратчайший путь через пространство и время и очень любимы поклонниками научной фантастики. И хотя туннель, реализованный в эксперименте, существует только в двумерной виртуальной Вселенной, он может стать прорывом для будущих исследований на переднем крае физики.
Почему запутанность связана с пространством и временем?
И как она может быть важна для будущих революций в физике?
При правильном понимании запутанность подразумевает, что Вселенная “монистична”, как это называют философы, то есть, на самом фундаментальном уровне всё во Вселенной является частью единого целого. Определяющим свойством квантовой механики является то, что лежащая в ее основе реальность описывается в виде волн, а монистическая Вселенная требует универсальной функции. Несколько десятилетий назад такие исследователи, как Хью Эверетт и Дитер Цех, уже показали, как наша повседневная реальность может возникнуть из такого универсального квантово-механического описания. Но только сейчас такие исследователи, как Леонард Сасскинд или Шон Кэрролл, разрабатывают идеи о том, как эта скрытая квантовая реальность может объяснить не только окружающую нас материю материю, но и саму ткань пространства и времени.
Запутанность – это гораздо больше, чем просто еще одно непонятное квантовое явление. Это действующий принцип, лежащий в основе того, почему квантовая механика объединяет мир в единое целое и почему мы воспринимаем это фундаментальное единство как множество отдельных объектов.
В то же время, запутанность является причиной, по которой мы живем в классической реальности. Это – в буквальном смысле – клей и создатель миров. Запутанность применима к объектам, состоящим из двух или более компонентов, и описывает то, что происходит, когда квантовый принцип “все, что может произойти, происходит на самом деле” применяется к таким сложным объектам. Соответственно, запутанное состояние – это суперпозиция всех возможных комбинаций, в которых могут находиться компоненты составного объекта, чтобы получить один и тот же общий результат. И снова волновая природа квантовой области может помочь проиллюстрировать, как на самом деле работает запутанность.
Представьте себе совершенно спокойное, гладкое море в безветренный день. А теперь спросите себя, как можно получить такую плоскость путем наложения двух отдельных волновых картин? Один из вариантов заключается в том, что наложение двух абсолютно плоских поверхностей приведет к абсолютно ровному результату. Но есть и другая возможность получить плоскую поверхность, если наложить друг на друга два одинаковых волнообразных паттерна, сдвинутых на половину цикла колебаний, так, чтобы гребни волн одного паттерна поглощали впадины другого, и наоборот.
Если бы мы просто наблюдали за стеклянно ровным океаном, считая его результатом слияния двух волн, у нас не было бы никакой возможности узнать о характере отдельных волн. То, что звучит совершенно обыденно, когда мы говорим о волнах, имеет самые удивительные последствия, когда применяется к противоборствующим реальностям. Если бы соседка сказала вам, что у нее две кошки, одна живая и одна мертвая, это означало бы, что либо первая, либо вторая кошка мертва, а оставшаяся, соответственно, жива. Но это был бы странный и нездоровый способ описания своих домашних животных, и вы, возможно, не знали бы, кто из них счастливчик, хотя поняли бы, что имела ввиду соседка. Но в квантовом мире всё не так.
В квантовой механике то же самое утверждение подразумевает, что две кошки слиты в суперпозиции случаев, включая все возможные ситуации: когда первая кошка жива, а вторая мертва, когда первая кошка мертва, а вторая жива, а также варианты, когда обе кошки наполовину живы и наполовину мертвы, или когда первая кошка жива на треть, а вторая добавляет недостающие две трети жизни. В квантовой паре судьбы этих несчастных кошек и состояния каждой в отдельности полностью растворяются в состоянии единого целого. Точно так же в квантовой Вселенной не существует отдельных объектов. Все, что существует, сливается в единое “Одно”.
Квантовая запутанность открывает перед нами обширную и совершенно неизведанную территорию для исследования.
Она определяет новый фундамент науки и переворачивает наши поиски вожделенной “Теории всего” с ног на голову – мы должны ее строить на квантовой космологии, а не на физике частиц или теории струн.
Но насколько реально для физиков реализовать такой подход? Удивительно, но это не просто реально – они уже делают это. Исследователи, находящиеся на переднем крае квантовой гравитации, начали переосмысливать пространство-время как следствие запутанности. Все большее число ученых основывают свои исследования на неделимости Вселенной. Есть большие надежды, что, следуя этому подходу, они, наконец, смогут понять, чем на самом деле являются пространство и время, лежащие в основе мироздания.
Независимо от того, связано ли пространство запутанностью, описывается ли физика абстрактными объектами вне пространства и времени или пространством возможностей, представленным универсальной волновой функцией Эверетта, или все во Вселенной восходит к единому таинственному квантовому объекту – все эти идеи имеют очень отчетливый монистический привкус. В настоящее время трудно судить о том, какие из этих идей будут определять будущее физики, а какие со временем исчезнут. Интересно то, что хотя первоначально идеи часто развивались в контексте теории струн, они, похоже, переросли эту теорию, и струны больше не играют никакой роли в последних исследованиях.
Общей чертой теперь является то, что пространство и время больше не считаются фундаментальными. Современная физика уже не начинается с пространства и времени, чтобы продолжиться объектами, помещенными в этот предсуществующий фон. Вместо этого теперь сами пространство и время считаются продуктами более фундаментальной проективной реальности. Натан Зайберг, ведущий теоретик струн в Институте перспективных исследований в Принстоне, не одинок в своих чувствах, когда он заявляет:
“Я почти уверен, что пространство и время – это иллюзии. Это примитивные понятия, которые вскоре будут заменены чем-то более сложным”.
Помимо того, в большинстве сценариев, предлагающих эмерджентное пространство-время, запутанность играет основополагающую роль. Как отмечает философ науки Расмус Яксланд, это в конечном итоге означает, что во Вселенной больше нет никаких отдельных объектов; всё связано со всем остальным:
“Принятие запутанности как мирообразующего отношения дается ценой отказа от делимости. Но тот, кто готов сделать этот шаг, возможно, должен обратиться к запутанности как к фундаментальному отношению, с помощью которого можно создать этот мир и все другие возможные миры”.
Когда исчезают пространство и время, возникает единое и неделимое Одно.
И действительно, с точки зрения квантового монизма, такие умопомрачительные последствия квантовой гравитации совсем не за горами. Даже в Общей теории относительности Эйнштейна пространство уже не является чем-то статичным; скорее оно определяется массой и энергией материи. Подобно взглядам немецкого философа Готфрида В. Лейбница, Общая теория скорее описывает относительный порядок вещей. Если теперь, согласно квантовому монизму, остается только одно, то не остается ничего, что можно было бы систематизировать или упорядочить, и, в конечном счете, больше нет необходимости в концепции пространства на самом фундаментальном уровне описания. Это “Одно”, единая квантовая вселенная является причиной, а пространство, время и материя – это следствие, которое она порождает.
Общая теория относительности – это не что иное, как квантовая механика – теория столетней давности, которая чрезвычайно успешно применялась к самым разным вещам, но так и не была полностью понята.
Как отметил космолог и физик-теоретик Шон Кэрролл, “возможно, квантование гравитации было ошибкой, и пространство-время все это время скрывалось в квантовой механике”. В будущем, “вместо того чтобы квантовать гравитацию, возможно, нам следует попытаться гравитировать квантовую механику”. Или, более точно, но менее выразительно, “найти гравитацию внутри квантовой механики”.
Если бы к квантовой механике с самого начала относились серьезно, если бы ее понимали как теорию, действие которой происходит не в пространстве и времени, а внутри более фундаментальной проективной реальности, то многих тупиков в исследовании квантовой гравитации можно было бы избежать.
Если бы мы приняли монистические следствия квантовой механики – наследие, между прочим, трехтысячелетней философии, которая появилась в античности, преследовалась в Средние века, возродилась в эпоху Возрождения и была испорчена в романтизме – как только Эверетт и Зее указали на них, а не придерживались прагматического толкования влиятельного квантового пионера Нильса Бора, который свел квантовую механику к простому инструменту, то мы были бы еще дальше на пути к демистификации основ реальности и понимаю единства всего сущего во Вселенной.
И ведь именно это нам на протяжении тысячелетий твердили мудрецы всех древних цивилизаций.
Читайте также: Призрачный квантовый мир Эйнштейна