Как квантовая запутанность становится тем самым невидимым станком, на котором ткётся пространство
Представьте, что вы смотрите на экран компьютера. Видите буквы, картинки, окна — всё это кажется вам сплошной поверхностью. Но вы знаете, что на самом деле это миллионы отдельных пикселей. Уберите связи между ними — и вместо картинки останется хаотичный шум.
А теперь представьте, что так же устроена сама реальность. Что пространство между вами и чашкой кофе — не пустота, а гигантская сеть связей. Что расстояния и геометрия — всего лишь удобное приближение, а на самом деле Вселенная плетётся из невидимых нитей.
Это не метафора. Это направление в физике, которое за последние 20 лет превратилось из безумной идеи в рабочий инструмент.
Две загадки одного года: запутанность и кротовые норы
Загадка первая: квантовая запутанность.
В 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен описали странный эффект. Две частицы, когда-то взаимодействовавшие, остаются связанными навсегда. Измерьте свойство одной — и свойство второй мгновенно определится, даже если их разделяют миллиарды световых лет. Никакой сигнал не может передаваться быстрее света, но корреляция работает. Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием».
Простой пример: у вас есть пара носков. Один остаётся у вас, другой оказывается на другом конце Вселенной. Вы надеваете свой носок на правую ногу — и тогда, мгновенно, носок на другом конце Вселенной становится левым. Вы переодеваете носок на левую ногу — и дальний носок мгновенно становится правым.
Загадка вторая: кротовые норы.
В том же 1935 году Эйнштейн и Розен (теперь без Подольского) обнаружили, что уравнения общей теории относительности допускают существование «мостов» — тоннелей, соединяющих далёкие области пространства-времени. Если вы нырнёте в чёрную дыру с одной стороны, то (в теории) вынырнете из белой дыры в совершенно другой части Вселенной.
Две загадки. Два явления. И почти 80 лет никто не подозревал, что это одно и то же.
Можно ли запихнуть гравитацию в голограмму?
В 1997 году молодой профессор Гарварда Хуан Малдасена работал в пустом офисе в лаборатории Джефферсона. Никаких украшений на стенах — только стол, стул и мысли.
«Для меня любое тихое место без визуальных и звуковых отвлекающих факторов подходит», — вспоминал он позже.
Малдасена обнаружил математическое соответствие между гравитацией внутри искривлённого пространства-времени и квантовой теорией поля на его границе. Сложный трёхмерный объём оказался полностью эквивалентен двумерной поверхности, которая его окружает. Как будто вся информация о статуе заключена в её голограмме.
Его статья 1997 года стала самой цитируемой в истории физики высоких энергий: больше 15 000 ссылок, по две в день двадцать лет подряд.
Но это было только начало.
Что, если кротовая нора и квантовая связь — одно и то же?
В 2013 году Малдасена отправил коллеге Леонарду Сасскинду письмо. Текст был лаконичным:
«ER = EPR»
ER — это Einstein-Rosen bridge, мост Эйнштейна — Розена, та самая кротовая нора. EPR — Einstein-Podolsky-Rosen pair, та самая пара запутанных частиц. Уравнение из четырёх букв утверждало: это одно и то же.
Запутанные частицы соединены кротовой норой. Кротовая нора — это и есть запутанность, проявленная в языке геометрии.
Сасскинд, один из отцов теории струн и голографического принципа, понял сразу. Пара запутанных чёрных дыр эквивалентна одной кротовой норе, соединяющей две вселенные. Или, если говорить проще, любые две запутанные частицы связаны невидимым мостиком в ткани реальности.
Сам Малдасена описывает это так:
«Вы можете создать вселенную в бутылке».
Гравитация внутри этой бутылки полностью описывается квантовой механикой на её стенках. Пространство внутри — всего лишь голограмма информации, записанной на границе.
Геометрия — это застывшая запутанность
В 2006 году двое японских физиков — Рю Синсэй и Такаянаги Тадаси — сделали следующий шаг. Они предложили формулу, которая связывала энтропию запутанности (попросту — количество общей информации) с площадью минимальной поверхности в искривлённом пространстве.
В 2015 году за эту работу они получили премию «Новые горизонты физики».
Что это значит на человеческом языке?
Возьмите любую область пространства. Посчитайте, насколько сильно всё внутри неё запутано со всем снаружи. Формула Рю — Такаянаги говорит: эта величина буквально равна площади границы, разделяющей внутреннее и внешнее.
Запутанность становится геометрией. Информация — пространством.
Из чего скроена сама ткань реальности?
Есть ещё один подход к квантовой гравитации — петлевая квантовая гравитация. В этой теории пространство состоит из квантовых ячеек — спин-сетей. Это как трёхмерная сеть, в узлах которой находятся кванты объёма, а на рёбрах — кванты площади.
И здесь запутанность тоже играет главную роль. Связи между этими квантовыми многогранниками — и есть то, из чего «склеивается» геометрия. Измените запутанность — изменится форма.
В этой картине пространство — не контейнер, в котором лежат объекты. Оно само возникает из того, как эти объекты связаны друг с другом.
Можно ли услышать, как колеблется ничто?
Всё это звучит как чистая математика. Но физики уже ставят эксперименты.
В лаборатории Ферми работает Голометр (Holometer) — один из самых чувствительных приборов, когда-либо созданных человеком. Два 40-метровых лазерных интерферометра ищут квантовые колебания самого пространства-времени. Одна из конкретных моделей голографического шума предсказывает, что геометрия должна слегка «дрожать» на планковских масштабах. Голометр построен так, чтобы проверить именно эту модель.
Разработчик эксперимента Крэйг Хогэн говорит прямо:
«Если мы что-то обнаружим, это перевернёт все теории о пространстве и времени».
Результаты 2015 года не нашли голографического шума на том уровне, который предсказывал Хогэн. Идею голографии это не хоронит, но говорит: если эффекты и есть, они слабее или устроены иначе.
Почему нам так сложно поверить в иллюзорность пространства
С этой картиной мира трудно смириться. Она рушит интуитивное представление о реальности.
Мы привыкли, что пространство — это сцена, а частицы — актёры. Можно убрать всех актёров — сцена останется. Но уравнения говорят обратное: если убрать все связи, исчезнет и сама сцена.
Пространство не фундаментально. Оно возникает. По крайней мере, так выглядит в ряде современных моделей квантовой гравитации и голографии. Говорить, что это уже установленный факт, рано.
Никто пока не доказал, что это правда. Формула Рю — Такаянаги строго работает только для анти-де-ситтеровских пространств (AdS) — таких «вселенных в бутылке» с отрицательной кривизной. Наша наблюдаемая Вселенная с её ускоренным расширением ближе к де-ситтеровской геометрии (dS). Там все эти красивые формулы пока работают только на уровне намёков.
Гипотеза ER = EPR остаётся гипотезой. Экспериментальных подтверждений нет. Но это не отменяет её красоты.
Мы не живём в пространстве — пространство живёт в нас
Физики всё ближе к ответу на вопрос, который ещё недавно казался философским: из чего сделана пустота?
Оказывается, она сделана из связей. Из запутанности. Из информации.
Мы привыкли думать, что живём внутри пространства-времени. Но если эта теория верна, то на самом деле пространство-время живёт внутри нас. Вернее, внутри связей между квантовыми состояниями, которые мы называем «частицами». А мы сами — часть этой гигантской сети.
Вот что писал ещё в 2016 году Леонард Сасскинд, размышляя о природе реальности:
«Если квантовая механика вас глубоко не потрясла, значит, вы её ещё не поняли».
Теперь к этому высказыванию пора добавлять и новую физику пространства.
**********
Источники и ссылки
- Juan Maldacena. The Large N Limit of Superconformal Field Theories and Supergravity. arXiv:hep-th/9711200
- Shinsei Ryu, Tadashi Takayanagi. Holographic Derivation of Entanglement Entropy from AdS/CFT. arXiv:hep-th/0603001 — работа, получившая премию «Новые горизонты физики» в 2015 году
- Fermilab Holometer press release: «Holometer rules out first theory of space-time correlations» (2015)
- Quanta Magazine: «Wormholes Reveal a Way to Make Quantum Gravity Feel Less Weird» (обзор по теме)
**********
Я не физик — просто люблю читать тех, кто ими является. Все факты проверены по научным работам, упомянутым в тексте, а также по открытым источникам. Открытые вопросы названы открытыми. Нашли ошибку — пишите в комментарии, буду благодарен.
Пишу о вещах, после которых по-другому смотришь на мир вокруг. Если это ваше — кнопка подписки рядом.
#квантоваяфизика #пространствовремя #научпоп #космология #квантоваягравитация #физика #вселенная #образование #голография #запутанность
**********
Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые разборы самых смелых идей современной физики — от квантовой гравитации до природы времени.
А в комментариях поделитесь: верите, что пространство может быть иллюзией?