Квантовые частицы соединены через червоточины пространства-времени

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».

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. 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 запрещают уничтожение информации. 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.

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.

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 подходит к особой запутанности и особым червоточинам. 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».