Почему все больше физиков начинают думать, что пространство и время — это «иллюзии»

В декабре прошлого года Нобелевская премия по физике была присуждена за экспериментальное подтверждение квантового явления, известного более 80 лет: запутанности. Как было задумано Альбертом Эйнштейном и его сотрудниками в 1935 году, квантовые объекты могут быть таинственно связаны, даже если они разделены большими расстояниями. Но как бы странно это ни звучало, почему эта древняя идея до сих пор заслуживает самой престижной премии в физике?

Так совпало, что всего за несколько недель до того, как в Стокгольме должны были чествовать недавних нобелевских лауреатов, другая группа выдающихся ученых из Гарварда, Массачусетского технологического института, Калифорнийского технологического института, Фермилаб и Google сообщила, что они запустили процесс на квантовом компьютере Google, который мог объяснить, что это червоточина. . Червоточины — это туннели через вселенную, которые могут служить кратчайшим путем сквозь пространство и время и любимы поклонниками научной фантастики, и хотя туннель, реализованный в этом последнем эксперименте, существует только в игре с 2D-вселенной, он может стать прорывом для будущих исследований. на острие физики…

Но почему запутанность связана с пространством и временем? И насколько это может быть важно для будущих прорывов в физике? Концепция запутанности, если ее правильно понять, означает, что Вселенная «монометрична», как ее называют философы, и что все во Вселенной на фундаментальном уровне является частью единого целого. Определяющим свойством квантовой механики является то, что ее фундаментальная реальность описывается в терминах волн, а монадическая вселенная требует глобальной функции. Десятилетия назад такие исследователи, как Хью Эверетт и Дитер Зех, показали, как реальность нашей повседневной жизни может возникнуть из такого исчерпывающего 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 материю, но и саму ткань пространства и времени.

Запутанность — это гораздо больше, чем просто еще одно странное квантовое явление. Это действующий принцип, лежащий в основе того, почему квантовая механика объединяет мир в одно целое и почему мы воспринимаем это фундаментальное единство как множество отдельных вещей. В то же время из-за запутанности мы, кажется, живем в классической реальности. Это — в буквальном смысле слова — клей и творец миров. Запутанность применяется к объектам, состоящим из двух или более компонентов, и описывает, что происходит, когда к этим составным объектам применяется квантовый принцип «все, что действительно может произойти». Соответственно, состояние запутанности представляет собой суперпозицию всех возможных комбинаций, в которых компоненты составного объекта могут давать один и тот же общий результат. Опять же, именно волнообразная природа квантового поля может помочь объяснить, как на самом деле работает запутанность.

Представьте себе совершенно спокойное стеклянное море в бурный день. Теперь спросите себя, как можно создать такой уровень путем наложения двух отдельных волновых паттернов? Одна возможность состоит в том, что наложение двух идеально плоских поверхностей снова приводит к идеально плоскому результату. Но другая возможность того, что может получиться плоская поверхность, заключается в том, что два идентичных волновых узора накладываются друг на друга в течение полупериода колебаний, так что гребни волн одного узора устраняют впадины волн другого, и наоборот. Если бы мы просто наблюдали окружность стекловидного тела, поскольку она является результатом двух выпячиваний вместе, у нас не было бы возможности определить закономерности отдельных выпячиваний. То, что кажется совершенно обычным, когда мы говорим о волнах, имеет еще более причудливые последствия в применении к конкурирующим реальностям. Если ваша соседка говорит вам, что у нее есть две кошки, одна живая, а другая мертвая, это означает, что либо первая, либо вторая кошка мертва, а оставшаяся кошка, соответственно, жива — это был бы странный и жуткий способ описания домашних животных, и вы можете не знать, кто из них счастливчик, но вы попадете на дрейф соседа. Не так в квантовой сфере. В квантовой механике то же утверждение указывает на то, что два кота слились в суперпозицию состояний, в том числе первый кот жив, а второй мертв, и первый кот мертв, а другой жив, а также возможности, когда обе кошки наполовину живые и полумертвые, или что первая кошка треть из них живы, а вторые кошки в сумме составляют две трети потерянной жизни. В количественной паре кошек судьбы и обстоятельства отдельных животных полностью исчезают в случае целого. Точно так же в квантовой вселенной нет отдельных объектов. Все существующее объединяется в единое «одно».

Квантовая запутанность открывает совершенно новую обширную область для исследования. Он определяет новую основу для науки и переворачивает наши поиски теории всего с ног на голову — опираясь на квантовую космологию, а не на физику элементарных частиц или теорию струн. Но насколько реален такой подход для физиков? Удивительно, но это не просто реалистично — они на самом деле так и делают. Исследователи, находящиеся в авангарде квантовой гравитации, начинают переосмысливать пространство-время как следствие запутанности. Все большее число ученых основывают свои исследования на неделимости Вселенной. Велики надежды, что, выбрав этот подход, они смогут, наконец, прийти к пониманию пространства и времени, в глубинах его основания, по-настоящему.

Независимо от того, удерживается ли пространство запутанностью, физика описывается абстрактными объектами за пределами пространства и времени или пространством возможностей, представленным универсальной волновой функцией Эверетта, или все во Вселенной сводится к одному квантовому объекту — все эти идеи имеют отличительную черту. привкус монизма. В настоящее время трудно судить, какие из этих идей определят будущее физики, а какие в конце концов отомрут. Интересно то, что, хотя идеи изначально разрабатывались в контексте теории струн, похоже, они переросли теорию струн, и струны больше не играют роли в последних исследованиях. Теперь кажется, что общей нитью является то, что пространство и время больше не важны. Современная физика не начинается с пространства и времени, чтобы продолжить вещи, изложенные в этом ранее существовавшем фоне. Вместо этого пространство и время видят себя продуктами более фундаментальной проекционной реальности. Натан Сайберг, пионер теории струн в Принстонском институте перспективных исследований, не одинок в своих чувствах, когда говорит: «Я почти уверен, что пространство и время — иллюзии. Это рудиментарные понятия, которые скоро заменят нечто более сложное». Более того, в большинстве сценариев, предполагающих эмерджентное пространство-время, запутанность играет главную роль. Как указывает философ науки Расмус Яксланд, это в конечном счете означает, что во Вселенной больше нет отдельных объектов; Что все связано со всем остальным: «Принятие запутанности в качестве отношения мира достигается ценой отказа от возможности разделения. Но, возможно, тем, кто готов сделать этот шаг, следует искать в запутанности основное отношение, посредством которого сформирует потенциал этого мира (и, возможно, всего другого мира)». Таким образом, когда пространство и время исчезают, возникает единое.

Напротив, с точки зрения квантового монизма такие ошеломляющие последствия квантовой гравитации не за горами. Уже в общей теории относительности Эйнштейна пространство больше не является стационарной фазой. Скорее, это источник масс материи и ее энергии. Подобно взгляду немецкого философа Готфрида В. Лейбница, он описывает относительный порядок вещей. Если теперь по количественной единице остается только одно, то нечего устраивать и упорядочивать, и, в конце концов, на этом фундаментальном уровне описания уже нет необходимости в понятии пространства. Он — «Единый», единая квантовая вселенная, порождающая пространство, время и материю.

«ОТО = КМ», — смело заявил Леонард Сасскинд в открытом письме исследователям в области квантовой информатики: «Общая теория относительности — это не что иное, как квантовая механика — теория столетней давности, которая с большим успехом применялась ко всем видам вещей, но никогда не действительно был. Совершенно понятно. Как отмечает Шон Кэрролл, «гравитацию, вероятно, неправильно измеряли, а пространство-время все это время скрывалось в квантовой механике». На будущее, «вместо того, чтобы измерять гравитацию, может быть, нам стоит попробовать квантовую механику. Или, точнее, но менее увлекательно, «найти гравитацию внутри квантовой механики», — предлагает Кэрролл в своем блоге. Квант с самого начала серьезно, если понимать его как теорию Это происходит не в пространстве и времени, а в более фундаментальной реальности устройств отображения, многих тупиков в исследовании квантовой гравитации можно было бы избежать. Если бы мы приняли монистические эффекты квантовой механики — наследие трехтысячной летняя философия, воспринятая в древности, преследуемая в Средние века, возрожденная в эпоху Возрождения, переработанная в романтизме — ранние Эверетт и Зи скорее ссылались бы на них, чем придерживались интерпретации влиятельного пионера квантовой науки Нильса Бора, прервавшего свою механику. … Превратив квантов в инструмент, мы будем на пути к демистификации самих основ реальности.

Адаптированы из Первый: как древняя идея поддерживает будущее физики Генрих Басс. Copyright © 2023. Доступно в Basic Books, издательстве Hachette Book Group, Inc. Все права защищены.