В теоретической физике непосредственно в данное время делается большое – можно даже сказать грандиозное – открытие.

Одна из важнейших и самых, пожалуй, трудных для постижения загадок современной науки – феномен квантовой сцепленности – оказывается по сути узлом, связывающим в единое целое квантовую физику микромира, геометрию пространства-времени (гравитацию) и голографический принцип в основе устройства вселенной.

Попутно с постижением этого факта приходится существенно корректировать фундаментальные идеи в основе физической науки…

«ЯСНО, ЧТО ПРОИСХОДИТ НЕЧТО СУЩЕСТВЕННОЕ»

В жизни науки физики не так давно и как бы случайно обнаружилась бесспорно примечательная вещь – точнее тенденция – поначалу сильно удивившая своей непонятностью даже самих ученых.

Весьма известный и авторитетный в своих кругах теоретик, Джон Прескилл, минувшей осенью по просьбе коллег из международного сообщества занимался организацией серии лекций вокруг проблем квантовой информатики. А надо отметить, что вся эта область исследований, сосредоточенная на взаимосвязях между обработкой информации и квантовой физикой, так или иначе непременно замыкается на феномен «квантовой сцепленности» или Entanglement (просто по той причине, что именно сцепленность лежит в сердцевине квантовых вычислений и квантовых коммуникаций).

Так вот, занимаясь подготовкой мероприятия, Прескилл решил освежить свои статистические данные – относительно количества научных статей, опубликованных в онлайновой библиотеке препринтов ArXiv.org и содержащих в своем заголовке слово Entanglement. Ибо давно подмечено, что статистика публикаций подобного рода дает вполне объективную картину для общей динамики развития «в отрасли».

Экстраполировав неполные результаты текущего периода на весь 2013 год, ученый получил следующую диаграмму распределения – для «своего» раздела [quant-ph], то есть «квантовая физика», где принято публиковать статьи по проблемам квантовой информатики вообще и квантовых компьютеров в частности.

На этом графике вполне наглядно можно видеть, что начиная с 2009 года направление квантово-информационных исследований вышло на своего рода плато (или фазу стагнации, как сказали бы злопыхатели). То есть на протяжении последних пяти лет число статей здесь остается примерно одним и тем же.

Но что удивительно, в смежных областях исследований, так или иначе соприкасающихся с квантовой физикой, картина интереса к феномену Entanglement выглядит совершенно по-другому. Так что в разделах, посвященных физике материи конденсированных сред [cond-mat], физике частиц высокой энергии [hep-th], а также общей теории относительности и квантовой космологии [gr-qc], число публикаций о квантовой сцепленности устойчиво нарастает с каждым очередным годом. И что интересно, начало этого процесса приходится на тот же интервал 2009-2010.

Пытаясь осмыслить столь неожиданный результат, Джон Прескилл подвел такой предварительный итог (см. блог QuantumFrontiers.com):

«Совершенно ясно, что около 2010 года начало происходить нечто существенное. Кому-то, возможно, удастся провести более серьезное исследование этого вопроса. Но для меня, потратившего на анализ примерно около часа, и такие данные выглядят вполне убедительно»…

Не исключено, что кто-то из коллег Прескилла, т. е. профессиональных ученых-физиков, уже провел надлежащее исследование и сделал на данный счет достаточно правдоподобное и совершенно заурядное обоснование (типа того, что наиболее шустрые специалисты по квантовой информатике рано почувствовали приближение стагнации, а потому быстренько переметнулись в смежные области – где гранты под исследования получить удается почему-либо попроще, а заниматься можно как и прежде примерно тем же самым).

Здесь, однако, куда интереснее разбираться не с подобными меркантильными пустяками, а с реально происходящими в науке переменами – большими, надо подчеркнуть, переменами – вокруг феномена Entanglement. Потому что к концу 2013 года уже имеется общее представление не только о том, какого рода результаты дали толчок прогрессу в 2009-2010, но и о том, в чем же собственно заключается принципиально важная суть открытий, происходящих ныне вокруг квантовой сцепленности.

КРАТКАЯ (пред) ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Начало всей этой истории было положено довольно-таки давно – почти 80 лет тому назад. В течение весны и лета 1935 года Альберт Эйнштейн и его более молодые коллеги, Борис Подольский и Натан Розен, опубликовали две примечательных коллективных работы, реальная значимость которых и теснейшая их взаимосвязь друг с другом начинают постигаться только теперь.

Нельзя, конечно же, говорить, будто две этих публикации на протяжении многих десятилетий оставались во мраке забвения и неизвестности. Совсем даже наоборот. Обе статьи в научном мире не просто широко известны, но и каждая из них породила по общепринятому ныне в физике термину: «парадокс ЭПР» и «мост ЭР» (нередко соответствующие эффекты именуют и еще более кратко – просто ЭПР и ЭР).

Однако лишь теперь выясняется, что эти абсолютно никак, казалось бы, не связанные друг с другом теоретические результаты появились у Эйнштейна и его соратников не просто одновременно, но и оказываются в итоге разными сторонами одного и того же удивительного феномена в устройстве природы. Ну а дабы суть феномена стала понятнее, для начала нужно иметь хотя бы общее представление о том, что же представляют собой эти самые ЭПР и ЭР.

#

Хронологически первая из двух интересующих нас статей, [EPR], была написана в подчеркнуто полемическом тоне и уже в названии своем содержала неприкрытый вызов: «Можно ли считать полным квантово-механическое описание природы?».

Как все знают, наверное, по многим причинам Эйнштейна категорически не устраивала явно недоработанная, но уже успевшая к тому времени стать доминирующей, «копенгагенская интерпретация» квантовой механики. А конкретно в данной статье ему, Подольскому и Розену удалось выдвинуть чрезвычайно мощный – с математической точки зрения – аргумент, демонстрирующий, что у квантовой механики все еще имеются очень большие проблемы с непротиворечивым описанием законов в основе работы микромира.

Иными словами, в фундаментальных квантовых уравнениях авторы выявили вопиющее, как им казалось, противоречие – принципиальную возможность для мгновенных взаимодействий между частицами в полной независимости от разделяющих их расстояний. Выходило так, что если две частицы поначалу были в одной квантовой системе, а затем их аккуратно разделяли и разносили на любую дистанцию – хоть в разные концы вселенной – то все равно (как свидетельствуют формулы), измерения-манипуляции с состоянием одной из частиц моментально должны сказываться на состоянии другой.

Понятно, что этот вывод противоречил не только важнейшему постулату о невозможности сигналов со сверхсветовыми скоростями, но и всем прежним представлениям науки о причинно-следственных связях в основе мироздания. Да и вообще, что бы там ни показывали уравнения, всерьез обсуждать гипотезы о механизмах природы для мгновенных взаимодействий на любых расстояниях в ту пору ученым представлялось просто немыслимым.

Короче говоря, благодаря славе Эйнштейна странный результат теоретиков был, естественно, среди коллега замечен (не сказать, правда, что с восторгом… хотя без соавтора такого калибра статью почти наверняка просто проигнорировали бы). Со временем выявленный в исследовании парадокс получил по фамилиям авторов собственное имя «ЭПР», а с подачи Эрвина Шредингера новый квантовый феномен – трудно постижимая сцепленность частиц – стали именовать по-немецки Verschränkung или по-английски Entanglement.

(Более распространенный в русском языке перевод этого термина словом «запутанность» – а не сцепленность – представляется в высшей степени неудачным. Потому что подспудно искажается суть явления и еще больше запутывается процесс осмысления и без того весьма нетривиальной проблемы.)

Ну а затем в истории науки произошло нечто поразительное. Много десятилетий спустя технический уровень экспериментальной физики позволил, наконец, реально воспроизвести «мысленный опыт» ЭПР и надежно подтвердить, что да, действительно, сцепленные квантовые частицы и впрямь способны мгновенно взаимодействовать в независимости от разделяющего их расстояния.

Поскольку никакого внятного объяснения этому парадоксу никто придумать так и не смог, следовало, казалось бы, согласиться с давно уже покойным Эйнштейном и таки признать: да, и в самом деле, квантовая механика пока не может считаться полным описанием природы, коль скоро совершенно не способна помочь нам в понимании того, что тут происходит и как подобное вообще возможно.

Однако вывод из экспериментов был сделан с точностью до наоборот. Было решено, что раз опыты подтверждают именно то, что предсказывают уравнения, значит права тут все-таки квантовая механика. А Эйнштейн, соответственно, был неправ, трактуя этот результат как недопустимое противоречие. Ну а то, что нет понимания природы происходящего… Да кто тут вообще имеет право требовать объяснений? Уравнения ведь работают – и будьте счастливы…

#

Касательно работы уравнений во второй важной статье из 1935 года, [ER], дела обстоят существенно иначе, поскольку речь там идет о феноменах общей теории относительности, то есть о деформациях геометрии пространства-времени под действием масс и энергий. А в этой области физики, как известно, ставить собственные реальные эксперименты ученым довольно сложно – коль скоро в уравнениях гравитации обычно принято оперировать величинами космических масштабов.

По этой причине вряд ли удивительно, что интересующую нас работу Эйнштейна и Розена (тут обошлись без Подольского) обычно принято упоминать как самое первое научное исследование, где математически строго была продемонстрирована возможность существования так называемых «кротовых нор» (wormholes) в пространстве-времени, иначе именуемых «мост Эйнштейна-Розена» или кратко ЭР. То есть речь в статье, по сути, идет о столь полюбившихся потом всем фантастам туннелях-переходах, которые коротким путем соединяют далеко разнесенные области вселенной.

Удивительно же тут другое. Вплоть до сегодняшнего дня, при всех разговорах о «кротовых норах» практически никто и никогда не вспоминает, как именно называлась исходная статья авторов – «Проблема частицы в общей теории относительности» – и в каком конкретно контексте родилась идея авторов про «мост ЭР».

Именно эти нюансы представляются сейчас особо важными, потому что на самом деле статья Эйнштейна-Розена была посвящена физике микромира, а не феноменам космологии. В поисках альтернатив, более естественных и постижимых, нежели квантовая механика, авторы искали пути для описания частиц на основе органичного объединения уравнений электромагнетизма Максвелла и общей теории относительности (эйнштейновых уравнений гравитации).

И вот, в ходе этого поиска ученым удалось отыскать весьма любопытное решение , в равной степени хорошо укладывающееся как в уравнения гравитации, так и в комбинированную систему, объединяющую ОТО и уравнения электромагнетизма.

Расчетами было продемонстрировано, что если рассматривать физическое пространство в виде совокупности из двух идентичных листов (или мембран, как выражаются в современной физике), то элементарная частица материи представляет собой «мост», соединяющий два этих листа…

Особую привлекательность этой конструкции ЭР придавало то, что в ней удалось избавиться от «сингулярностей», то есть крайне неприятных для любой теории точек в пространстве, где радиус области устремляется к нулю, концентрация энергии, соответственно, улетает в бесконечность, а любая физика-математика просто перестает работать. Благодаря же оригинальному решению уравнений с помощью «моста ЭР» из-за отсутствия сингулярностей оказалось возможным определять не только поле, но и движение в этом поле частиц.

Кроме того, из общей логики новой конструкции естественно следовало, что и атомы материи – как системы из множества частиц – должны, по идее, представляться аналогично – обычным решением для уравнений поля, соответствующих пространству из двух идентичных листов, соединенных друг с другом через множество «мостов ЭР»…

#

Факты дальнейшей истории таковы, что оставленную на будущее проблему со множеством частиц, увы, решить авторам так и не удалось. А самое главное, в эту двухлистовую концепцию пространства и материи также не получилось встроить и экспериментально установленные эффекты квантовой физики.

По этой, вероятно, причине непосредственная связь «моста ЭР» с миром частиц микрофизики отошла на задний план, а в историю науки данный феномен ОТО вошел как «просто» короткий туннель в пространстве-времени или космическая «кротовая нора»…

В дальнейшем же непростая судьба феноменов ЭПР и ЭР, родившихся практически одновременно, складывалась так, что весьма значительное усилия ученых-теоретиков были затрачены на их «опровержение». То есть, не на опровержение бесспорно правильных математических выкладок, а на доказательство того, что с физической точки зрения они вовсе не означают нарушение общепринятых в науке постулатов.

Ведь несложно, в общем-то, сообразить, что ЭПР и ЭР очевидно родственны в том, что нарушают постулат о невозможности превысить скорость света. Ведь для взаимодействий ЭПР, как уже говорилось, расстояние между частицами не играет вообще никакой роли. Ну а для ЭР, соответственно, путь из точки А в точку Б через «кротовую нору» вполне может оказаться быстрее, чем время движения света через обычное пространство.

По этой причине – и для сохранения «логической целостности» физических теорий – были сформулированы и доказаны специальные теоремы, подтверждающие незыблемость фундаментального постулата.

Для ЭПР, в частности, доказано, что квантовая сцепленность все равно не может быть использована для передачи сигналов быстрее света. Ибо итог измерения состояния у «частицы-отправителя» на одном конце по определению является случайно-вероятностным, а значит на другом конце невозможно по нашему собственному желанию устанавливать состояние «частицы-получателя».

Аналогичным образом, для обоснования физической невозможности «моста ЭР» также найдены подобающие аргументы, наиболее распространенный из которых именуют «топологическая цензура». Стандартные расчеты для энергии «кротовой норы» показывают, что эйнштейновы уравнения гравитационного поля сами же и препятствуют передвижениям через такие туннели. Прежде, чем путешественник успеет выбраться из норы на другом конце, горловина тоннеля либо разделяется в узком месте, либо становится бесконечно длинной.

Иначе говоря, хотя у науки нет оснований отвергать математически достоверные факты о сверхсветовых взаимосвязях между далеко разнесенными объектами, с физической точки зрения подобные взаимодействия считаются доказуемо невозможными…

НАЧАЛО ДРУГОЙ ФИЗИКИ

Из всего происходившего вокруг ЭПР и ЭР можно видеть, что на протяжении более чем полувека в физике старались относиться к данным феноменам так, будто это вовсе не гигантский вызов доминирующим теориям, а что-то вроде мелких технических нестыковок.

Первые – причем очень небыстрые – шаги к переосмыслению ЭПР и ЭР начали происходить примерно лет двадцать тому назад, вместе с появлением в теоретической науке нового направления под названием «голографический принцип».

В начале 1990-х годов, то есть на финише XX века, для ведущих физиков-теоретиков планеты было вполне очевидно, что их наука – несмотря на все грандиозные достижения – так и не сумела удовлетворительным образом объединить две главнейших теории столетия, квантовую физику для микромира и классическую ОТО для космоса.

И хотя самых разных путей к этой цели, получившей общее название «квантовая гравитация», уже имелось и без того в изобилии, у некоторых ученых было ощущение, что тут требуется нечто в корне иное. Именно такую, радикально другую альтернативу и представлял собой «голографический принцип», в 1993-94 гг выдвинутый уже известными в ту пору теоретиками Герардом ‘т Хоофтом и Леонардом Сасскиндом.

В основу нового направления было заложено несколько неожиданных, но весьма глубоких идей – вокруг того, что если на давно и хорошо известные, казалось бы, вещи научиться смотреть иначе, то оказывается возможным разглядеть массу важных и совершенно неизвестных прежде фактов.

#

Первой из важнейших идей подобного рода стала далеко ведущая аналогия между черными дырами вселенной и частицами микромира. В силу сильнейших искривлений в геометрии пространства-времени, характерных как для центра частиц, так и для черных дыр, эти объекты представляют собой разного масштаба точки сингулярности, в которых перестает работать известная нам физика.

Кроме того, выяснилось, что черные дыры – подобно частицам – способны не только поглощать, но и излучать энергию. В совокупности же все подобные факты дали основания задаться логичными вопросами типа таких: (а) не являются ли черные дыры своего рода «частицами», порождающими материю макрокосмоса? (б) не являются ли, соответственно, и частицы микроскопическими «черными дырами» в основе устройства мира на самых мелких масштабах?

Ответить в целом утвердительно на оба этих вопроса помогают еще две важнейшие концепции, выдвинутые ‘т Хоофтом и Сасскиндом в качестве основы для их «голографического принципа» и сулящие объединение квантовой физики с гравитацией на основе идей теории информации.

Согласно одной из этих концепций, микроскопическую структуру пространства-времени следует считать гранулированной, то есть в конечном счете, на предельно малом масштабе величин она оказывается состоящей из крошечных неделимых единиц, которые в своих состояниях кодируют элементарные биты информации.

Непосредственно с голографией связана теоретическая концепция, согласно которой вся информация, содержащаяся в некоторой произвольной области пространства, может быть представлена как «голограмма» – то есть теоретическое описание, помещающееся на границе этой области.

Сразу же следует подчеркнуть, что столь странноватые на первый взгляд идеи родились у теоретиков отнюдь не на пустом месте. Напротив, им предшествовал целый ряд очень интересных результатов, независимо полученных разными другими исследователями и в совокупности эффектно демонстрирующих весьма тонкие взаимосвязи между физикой черных дыр и теорией информации.

Ну а сам термин «голографический принцип» появился тут по сути естественным образом. Авторы посчитали его наиболее удачным, поскольку в основе порождения голограммы – как объемного изображения – лежит идейно очень похожий оптический феномен. Ведь реально вся информация о голограмме записана на плоской 2-мерной пластине, однако, когда на нее падает свет, она воссоздает в пространстве объемный 3-мерный образ…

Короче говоря, если смотреть на мир с позиций голографического принципа, то появляются достаточно веские основания утверждать, что и вся вселенная в некотором смысле является голограммой.

#

Для того, чтобы стало понятнее, почему столь экзотические идеи теоретиков об устройстве нашего мира с каждым годом набирают все больше и больше сторонников среди вполне серьезных ученых, необходимо дать пояснения относительно столь важной в науке вещи, как эквивалентность описаний.

В математике вообще и в математической физике, в частности, уже очень давно установлено, что великое множество задач, считающихся чрезвычайно сложными в решении или даже вообще неразрешимыми, на самом деле удается решать довольно легко, если найти для них эквивалентное описание в другой системе.

Иначе говоря, практически всегда одни и те же закономерности, явления, феномены и т.д. можно описывать с помощью существенно разных инструментов и формул. Самый тривиальный пример – это когда одну и ту же задачу можно решать геометрически (графиками-чертежами), а можно алгебраически (уравнениями).

Так вот, неоспоримая ценность голографического принципа оказалась в том, что он – переносом описания в пространство другой размерности – позволил заниматься такими задачами, к решению которых раньше и подступиться-то не знали как…

Благодаря двойному голографическому описанию оказалось возможным существенно по-новому подходить к решению давних проблем в самых разных областях физики – от загадок космологии и черных дыр до квантовых фазовых переходов, сверхтекучести и высокотемпературной сверхпроводимости.

#

Одним из любопытных фактов в недолгой пока еще истории голографического принципа стало то, что наиболее яркий и богатый вклад в его развитие внес специалист по теории струн Хуан Малдасена – хотя изначально все это «голографическое» направление задумывалось как своего рода концептуальная альтернатива для ощутимо забуксовавшей в тот период теории струн.

Но случилось так, что практически одновременно с появлением у теоретиков новой голографической концепции, в другом идеологическом лагере – в струнной теории – произошла собственная революция. Появившиеся там подходы на основе концепции «бран», т. е. поверхностей всевозможных размерностей, тоже дали исследователям новый, более эффективный инструментарий для решения нетривиальных задач о свойствах частиц и пространства.

Благодаря, собственно, этому прорыву в 1997 году и появилась этапная работа Хуана Малдасены, вошедшая в историю под названием «AdS/CFT-соответствие». В этом исследовании струнному теоретику удалось продемонстрировать, что две совершенно разные на вид системы в действительности обладают одной и той же физикой. А поскольку системы в модели подобрались далеко не случайно, результаты Малдасены предлагали совершенно новый взгляд и на особенности никак не поддающихся решению загадок нашей вселенной.

Строго говоря, ни одна из двух физических систем в модели AdS/CFT не описывает тот мир, в котором довелось жить нам. Первая из этих систем, в частности, представляет собой пятимерное пространство-время анти-де Ситтера (AdS), имеющее гиперболическую геометрию отрицательной кривизны. То есть ничего похожего даже отдаленно.

Вторая система в модели – это сферическое 4-мерное пространство, выступающее в качестве границы AdS и описываемое так называемой «конформной теорией поля» (CFT), что делает его физику в целом похожей на физику нашего мира. Но за одним существенным исключением – в этом мире CFT в принципе нет гравитации. А вот в 5D-мире AdS, надо подчеркнуть, гравитация имеется.

Ну а поразительные выкладки Малдасены продемонстрировали, что на самом деле уравнения для описания 5D-системы AdS с гравитацией оказываются в точности эквивалентны CFT-уравнениям для 4D-системы без гравитации.

Иначе говоря, несложно сообразить, что если в «нашу» квантовую физику 4-мерного мира никак не удается встроить гравитацию, то естественное решение проблемы, возможно, отыскивается с помощью 5-го измерения, которое нам пока что никак не удается постичь и «ухватить» экспериментально…

Ну а еще проще сообразить, что AdS/CFT-соответствие по самой конструкции своей дает впечатляющий пример того, как работает голографический принцип. И самое замечательное, что именно через эти подходы со временем удалось выйти на новый уровень понимания феноменов ЭПР и ЭР.

НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ

В 1999 году Герард ‘т Хоофт был удостоен звания лауреата Нобелевской премии по физике. Но не как «отец голографического принципа», естественно (данное направление и по сию пору принято считать нетрадиционной альтернативой). Высочайшая в науке награда была присуждена ученому за куда более ранний вклад – в развитие и укрепление Стандартной модели квантовой физики.

Однако имелось в этом событии нечто особенное и глубоко символическое. Ведь начало науке XX века было положено публикацией в 1900 работы Макса Планка, ставшей поворотным рубежом в физике и положившей начало квантовой теории. А закрыла это столетие Нобелевская премия ученому, подарившему миру существенно новые идеи – для физики уже XXI века…

После наступления нового столетия человечеству, правда, пришлось подождать еще лет десять, прежде чем созрели новые концепции и начали появляться работы действительно прорывного характера. Есть все основания считать, что первыми в этом ряду оказываются две статьи молодых и практически неизвестных прежде теоретиков, независимо появившиеся в 2009 и 2010 году.

Оба этих теоретических исследования посвящены примерно одной и той же теме – выявлению и изучению глубоких и далеко простирающихся взаимосвязей между феноменом квантовой сцепленности (ЭПР) и геометрией пространства-времени. Причем в обоих случаях ученые интенсивно опирались на инструментарий голографического принципа и AdS/CFT-соответствия.

Различия же результатов заключались в следующем. Хронологически первая работа, статья Брайена Свиндла 2009 года [BS] продемонстрировала математическую картину того, каким образом квантовая сцепленность порождает в пространстве дополнительное измерение. Или иными словами – как из феномена ЭПР возникает голографическое пространство более высокой размерности.

Вторая статья [MVR], опубликованная в 2010 году Марком Ван Раамсдонком, развивает по сути дела ту же самую идею – о том, что квантовая сцепленность в действительности представляет собой фундаментально важный ингредиент природы, лежащий в самой основе той геометрии, которой обладает пространство вселенной. И для демонстрации этого факта автор эффектно демонстрирует, как ЭПР порождает геометрию классического пространства-времени…

#

Насколько известно, никто пока еще не выдвинул бесспорных доказательств тому, что именно эти работы – Свиндла и Ван Раамсдонка – стали катализатором и причиной, породившей в физике нарастающую ныне волну исследований, посвященных квантовой сцепленности. Не подлежит, однако, никакому сомнению, что статьи эти действительно привлекли всеобщее внимание, а над развитием интересных результатов стали работать и самые именитые мэтры-«тяжеловесы».

Одной из наиболее заметных публикаций подобного рода стала объемистая совместная статья Хуана Малдасены и Леонарда Сасскинда [MS], опубликованная в интернете летом этого года под поэтичным заголовком «Холодные горизонты для сцепленных черных дыр».

Если пытаться изложить суть этой примечательной работы с помощью всего лишь одной фразы, то можно сказать так. Занявшись углубленной разработкой идей Ван Раамсдонка / Свингла применительно к физике черных дыр, ученые показали, что квантовая сцепленность (ЭПР) между двумя разнесенными в пространстве дырами и соединяющая их «кротовая нора» (ЭР) – это на самом деле разные стороны одного и того же феномена.

Важно также отметить, что попутно с этим открытием исследователи обнаружили существенно новый, никем, похоже, не описанный прежде тип черных дыр. Порождаемые при коллапсе звезд черные дыры обычно принято рассматривать как «односторонние» (не занимаясь рассмотрением того, что представляет собой «дно»). Однако теперь теоретиков непосредственно заинтересовали квантово-информационные аспекты того, каким именно образом может происходить излучение энергии из черной дыры. И обнаружилась любопытная вещь.

Авторы показали, что по мере того, как обычная односторонняя черная дыра «испаряется», она фактически становится двусторонней – причем в состоянии максимальной сцепленности с исходящими от нее квантами излучения. В соответствии с принципом эквивалентности ЭПР и ЭР получается так, что черная дыра становится квантово сцепленной с исходящим от нее излучением – через сложный ЭР-мост в виде множества исходящих от дыры туннелей-ответвлений.

Один из примечательных выводов, которые позволяет делать описанная конструкция – это специфический рецепт теоретиков для устройства еще одной черной дыры, максимально сцепленной с первой. Гипотетический наблюдатель в принципе может собирать все ответвления или кванты излучения от черной дыры и пропускать их через свой квантовый компьютер. Тогда на выходе данного компьютера будет вторая черная дыра, максимально сцепленная с первой (и таким образом соединенная с ней через гладкий мост ЭР).

О том, почему эти экзотические идеи и аргументы ученых чрезвычайно важны для нового понимания природы, в общедоступной форме будет рассказано чуть позже. Здесь же осталось лишь отметить, что выражая свой результат предельно кратко, лаконичным языком формул, Малдасена и Сасскинд обосновали равенство «EPR = ER» – верное, по меньшей мере, для условий черных дыр.

Но при этом авторами тут же сделано и более общее предположение – что подобного рода «кротовые норы» или ЭР-мосты «могут иметь место и для более общих случаев сцепленных состояний». Иначе говоря, есть все основания искать аналогичную ЭПР-ЭР эквивалентность и для квантовых частиц.

#

Важные новые результаты в развитие темы последовали по сути незамедлительно. Сразу две созвучные статьи, посвященные квантовой сцепленности через кротовые норы – теперь уже в условиях микрофизики частиц, – опубликованы в ноябрьском, 2013 г, выпуске журнала Physical Review Letters.

Излагая суть новых работ упрощенно, можно говорить, что в них авторам удалось расширить (или тут более корректным, быть может, термином является «углубить») ЭПР-ЭР-эквивалентность от масштабов черных дыр до масштабов кварков – то есть наименьших по размерам компонентов материи.

Благодаря предшествовавшим исследованиям на базе голографического принципа уже известно, что два квантово сцепленных кварка математически можно представлять как концы концептуальной струны в пространстве более высокой размерности. При такой переформулировке задачи определенные вычисления для этой системы производить оказывается существенно легче.

Оперевшись на этот результат, Кристиан Йенсен и Андреас Карх в своем исследовании [JK] проанализировали то, как выглядит физика сцепленной пары кварк-антикварк (находящейся в обычном 3D-пространстве), когда эти кварки разбегаются друг от друга с такой скоростью, когда становится уже невозможным передавать сигналы от одного к другому. Для этих условий – и с переходом в гипотетическое 4D-пространство – установлено, что струна, обеспечивающая сцепленность пары, с геометрической точки зрения в 4D-пространстве становится кротовой норой.

В другой статье [JS], автором которой является Юлиан Зоннер, получен аналогичный по сути результат, но только в условиях несколько иной задачи – когда порождение и разлет кварк-анткварковой пары происходит в сильном электрическом поле (эффект Швингера). Здесь Зоннер также обнаружил, что сцепленные частицы 3D-мира оказываются соединенными через кротовую нору в мире 4D.

Поясняя эти любопытные результаты через призму голографического принципа и AdS/CFT-соответствия, один из авторов исследований, Андреас Карх особо подчеркивает такую особенность выявленной ими эквивалентности или дуальности. Расчеты в мире 3D были сделаны для элементарных частиц, которые функционируют в согласии с законами квантовой механики и сцеплены между собой струнной связью – но это мир без гравитации. Поэтому следует понимать, что «кротовая нора» и сцепленная пара частиц не живут в одном и том же пространстве. Однако с математической точки зрения эти системы эквивалентны…

Ну и как это повелось практически в любом разговоре со СМИ о прогрессе науки в области «кротовых нор», в комментариях Андреаса Карха не обошлось, естественно, и без слов о волнующих всех возможностях для коммуникаций и путешествий со сверхсветовыми скоростями.

Будучи серьезным ученым, Карх тоже попытался – как положено – охладить энтузиазм публики примерно такими разъяснениями. Если две черные дыры или пара других квантовых объектов находится в сцепленном друг с другом состоянии, то человек с одного конца все равно не смог бы через туннель норы повидаться или связаться с тем, кто находится возле второго конца:

«Единственный способ, которым вы можете осуществлять коммуникации друг с другом – это обоим прыгнуть в свою черную дыру. Вот тогда ваш внутренний мир будет тем же самым»…

#

Самым забавным, пожалуй, моментом в этой цитате является вот что.

В науку постепенно приходит понимание, что наш внутренний мир – мир сознания – реально является пространством более высокой размерности, нежели мир, окружающий нас снаружи.

Иначе говоря, некоторая наша очень важная часть постоянно пребывает во «внутреннем мире». И примерно там же пребывают сознания всех других существ, обладающих сознанием. Иначе говоря, многие из этих существ – независимо от разделяющих их расстояний – могут иметь и «общий внутренний мир». То есть быть связанными друг с другом гиперпространственными «кротовыми норами», через которые, как свидетельствуют теоретики, вполне можно общаться.

И в процессе этого общения, как выясняется, для всей описанной выше физической картины (с ее нетривиальными голографическими дуальностями и эквивалентностями типа ER=EPR) обнаруживается куда более простое объяснение.

Простое настолько, что суть скрытого устройства природы можно донести даже до малого ребенка. Ну или, по крайней мере, до школьников начальных классов, уже подросших для уроков природоведения.

(Окончание следует)

ССЫЛКИ и дополнительное чтение

Популярное-общедоступное изложение истории о том, как в науку пришел голографический принцип: Освоение реальности.

Популярно, но с большим числом технических подробностей о голографическом взгляде на реальность: ТЗО: 5.3 Целое. Там же о геометрической картине «большой вселенной», включая ключевую роль AdS/CFT-соответствия: ТЗО: 6.2 Формы.

О том, как новый взгляд на устройство вселенной уже успел прочно укорениться в сознании физиков: Приз как символ эпохи.

Научные первоисточники:

[EPR] A. Einstein, B. Podolsky and N. Rosen, «Can quantum mechanical description of physical reality be considered complete?,» Phys. Rev. 47, 777 (1935).

[ER] A. Einstein and N. Rosen, «The Particle Problem in the General Theory of Relativity,» Phys. Rev. 48, 73 (1935).

[BS] B. Swingle, «Entanglement Renormalization and Holography«, preprint arXiv:0905.1317v1 [cond-mat.str-el], http://arxiv.org/abs/0905.1317

[MVR] M. Van Raamsdonk, «Building up spacetime with quantum entanglement,» Gen. Rel. Grav. 42, 2323 (2010) [Int. J. Mod. Phys. D 19, 2429 (2010)], preprint arXiv:1005.3035 [hep-th]

[MS] Juan Maldacena and Leonard Susskind. «Cool horizons for entangled black holes«, preprint arXiv:1306.0533v2 [hep-th], 11 Jul 2013, http://arxiv.org/abs/1306.0533

[JK] Kristan Jensen and Andreas Karch. «Holographic Dual of an Einstein-Podolsky-Rosen Pair has a Wormhole«, Phys. Rev. Lett. 111, 211602 (2013), http://arxiv.org/abs/1307.1132

[JS] Julian Sonner. «Holographic Schwinger Effect and the Geometry of Entanglement«, Phys. Rev. Lett. 111, 211603 (2013), http://arxiv.org/abs/1307.6850