Чому все більше фізиків починає думати, що простір і час — це «ілюзії»

У грудні минулого року Нобелівська премія з фізики була присуджена за експериментальне підтвердження квантового явища, відомого понад 80 років: заплутаності. Згідно з уявленнями Альберта Ейнштейна та його співробітників у 1935 році, квантові об’єкти можуть бути таємничим чином пов’язані, навіть якщо вони розділені великими відстанями. Але як би дивно не звучало це явище, чому ця стародавня ідея все ще заслуговує найпрестижнішої премії у фізиці?

За збігом обставин лише за кілька тижнів до вшанування нещодавніх нобелівських лауреатів у Стокгольмі інша команда видатних учених із Гарварду, Массачусетського технологічного інституту, Каліфорнійського технологічного інституту, Фермілабораторії та Google повідомила, що вони запустили процес на квантовому комп’ютері Google, який міг пояснити, що це червоточина. . Червоточини — це тунелі через всесвіт, які можуть служити ярликом у просторі та часі, і їх люблять шанувальники наукової фантастики, і хоча тунель, реалізований у цьому останньому експерименті, існує лише в грі 2D у всесвіті, він може стати проривом для майбутніх досліджень на передньому краї фізики..

Але чому заплутаність пов’язана з простором і часом? І наскільки це може бути важливим для майбутніх проривів у фізиці? Правильно зрозуміла концепція заплутаності означає, що Всесвіт є «монометричним», як називають його філософи, і що все у Всесвіті на фундаментальному рівні є частиною єдиного цілого. Визначальною властивістю квантової механіки є те, що її фундаментальна реальність описується хвильовими термінами, а монадичний Всесвіт потребує глобальної функції. Кілька десятиліть тому такі дослідники, як Г’ю Еверетт і Дітер Зе, показали, як реальність нашого повсякденного життя може виникнути з такого вичерпного квантово-механічного опису. Але тільки зараз такі дослідники, як Леонард Саскінд або Шон Керролл, розробляють ідеї про те, як ця прихована квантова реальність може пояснити не лише матерію, але й саму структуру простору та часу.

Заплутаність — це набагато більше, ніж просто ще одне дивне квантове явище. Це діючий принцип, який лежить в основі того, чому квантова механіка зливає світ в одне ціле, і чому ми відчуваємо цю фундаментальну єдність як багато окремих речей. У той же час заплутаність є причиною того, що ми ніби живемо в класичній реальності. Це – в прямому сенсі слова – клей і творець світів. Заплутаність застосовується до об’єктів, які складаються з двох або більше компонентів, і описує, що відбувається, коли до цих складових об’єктів застосовується квантовий принцип «усе, що може статися насправді». Відповідно, стан заплутаності — це суперпозиція всіх можливих комбінацій, у яких компоненти складового об’єкта можуть давати однаковий загальний результат. Знову ж таки, саме хвиляста природа квантового поля може допомогти пояснити, як насправді працює заплутаність.

Уявіть собі абсолютно спокійне скляне море в штормовий день. Тепер запитайте себе, як можна отримати такий рівень шляхом накладення двох окремих хвильових моделей? Однією з можливостей є те, що суперпозиція двох ідеально плоских поверхонь знову призводить до ідеально плоского результату. Але інша можливість того, що плоска поверхня може виникнути, полягає в тому, що дві ідентичні хвилеві моделі накладаються одна на одну за допомогою півциклу коливань, так що гребені хвилі однієї моделі усувають спади хвиль іншої, і навпаки. Якби ми просто спостерігали окружність склоподібного тіла, оскільки вона є результатом двох опуклостей разом, у нас не було б способу визначити структуру окремих опуклостей. Те, що здається абсолютно звичайним, коли ми говоримо про хвилі, має ще більш дивні наслідки, якщо застосувати його до конкуруючих реалій. Якщо ваша сусідка скаже вам, що у неї є два кота, один живий, а інший мертвий, це означає, що перший або другий кіт мертвий, а інший кіт, відповідно, живий – це був би дивний і моторошний спосіб опису домашніх тварин, і Ви можете не знати, кому з них пощастить, але ви отримаєте На дрейфі сусіда. Не так у квантовій сфері. У квантовій механіці те саме твердження вказує на те, що два коти злилися в суперпозицію станів, у тому числі перший кіт живий, а другий мертвий, і перший кіт мертвий, а інший живий, але також можливі, коли обидва коти наполовину живий і напівмертвий, або що перший кіт Третина з них живі, тоді як другі коти складають дві третини втраченого життя. У кількісній парі котів долі й обставини окремих тварин повністю розчиняються у випадку цілого. Подібним чином у квантовому Всесвіті немає окремих об’єктів. Все існуюче поєднується в єдине «єдине».

Квантова заплутаність відкриває абсолютно нову, величезну область для дослідження. Це визначає нову основу для науки та перевертає наші пошуки теорії всього з ніг на голову – спиратися на квантову космологію, а не на фізику елементарних частинок чи теорію струн. Але наскільки реалістичним для фізиків є такий підхід? Дивно, але це не просто реалістично – вони дійсно є. Дослідники в авангарді квантової гравітації починають переосмислювати простір-час як наслідок заплутаності. Все більше вчених засновують свої дослідження на нероздільності Всесвіту. Великі сподівання, що завдяки цьому підходу вони зможуть нарешті прийти до справжнього розуміння простору й часу в глибині їхньої основи.

Незалежно від того, чи простір утримується сплутаністю, чи фізика описується абстрактними об’єктами поза простором і часом, чи простором можливостей, представленим універсальною хвильовою функцією Еверетта, чи все у Всесвіті зводиться до єдиного квантового об’єкта — усі ці ідеї мають відмінну рису. присмак монізму. Наразі важко судити, яка з цих ідей визначить майбутнє фізики, а яка зрештою вимре. Цікаво те, що хоча ідеї спочатку були розроблені в контексті теорії струн, вони, здається, переросли теорію струн, і струни більше не відіграють ролі в останніх дослідженнях. Зараз, здається, спільним є те, що простір і час більше не важливі. Сучасна фізика не починається з простору та часу, щоб продовжити те, що викладено на цьому попередньому фоні. Натомість простір і час розглядають себе як продукти більш фундаментальної реальності проектора. Натан Сайберг, піонер теорії струн із Прінстонського інституту перспективних досліджень, не самотній у своїх думках, коли каже: «Я майже впевнений, що простір і час — це ілюзії. Це рудиментарні концепції, які будуть замінені на щось складніше». Крім того, у більшості сценаріїв, які пропонують нові космічні часи, заплутаність відіграє основну роль. Як зазначає філософ науки Расмус Яксленд, це зрештою означає, що у Всесвіті більше немає окремих об’єктів; Те, що все пов’язано з усім іншим: “Прийняття заплутаності, як світ створює відносини, відбувається ціною відмови від можливості роз’єднання. Але, можливо, ті, хто готовий зробити цей крок, повинні дивитися на заплутаність як основний зв’язок, за допомогою якого він сформує потенціал цього світу (і, можливо, всього іншого світу).» Таким чином, коли простір і час зникають, виникає об’єднаний.

Навпаки, з точки зору квантового монізму, такі приголомшливі наслідки квантової гравітації не за горами. Вже в загальній теорії відносності Ейнштейна простір більше не є стаціонарною фазою. Швидше, це джерело мас матерії та її енергії. Подібно до точки зору німецького філософа Готфріда В. Лейбніца, вона описує відносний порядок речей. Якщо тепер, згідно з кількісною одиницею, залишилося лише одне, не залишилося нічого влаштовувати чи влаштовувати, і врешті-решт більше немає потреби в понятті простору на цьому фундаментальному рівні опису. Він — «Єдиний», єдиний квантовий всесвіт, що породжує простір, час і матерію.

«GR = QM», — сміливо заявив Леонард Саскінд у відкритому листі дослідникам квантової інформатики: «Загальна теорія відносності — це не що інше, як квантова механіка — столітня теорія, яку з великим успіхом застосовували до будь-яких речей, але ніколи не дійсно було. Цілком зрозуміло. Як зазначає Шон Керролл, «гравітацію, ймовірно, неправильно оцінити, а простір-час увесь час приховувався в квантовій механіці». На майбутнє, “замість кількісного визначення гравітації, можливо, нам слід спробувати кількісно визначити квантову механіку. Або, точніше, але менш захоплююче, “знайти гравітацію всередині квантової механіки”, пропонує Керролл у своєму блозі. Квантова серйозно з самого початку, якщо її розуміти як теорії, яка виникає не в просторі та часі, а в більш фундаментальній реальності пристрою відображення, багатьох тупиків у дослідженні квантової гравітації можна було б уникнути. Якби ми прийняли моністичні ефекти квантової механіки – спадщина трьох- тисячолітня філософія, сприйнята в античності, переслідувана в Середньовіччі, відроджена в епоху Відродження, перероблена в романтизмі — ранні Еверетт і Зі посилалися б на них, а не дотримувалися тлумачення впливового квантового піонера Нільса Бора, який урізав його механіку. Перетворивши квант на інструмент, ми будемо на шляху до демістифікації самих основ реальності.

Адаптовано з Перший: як стародавня ідея тримає майбутнє фізики Генріха Басса. Авторське право © 2023. Доступно в Basic Books, вихідні дані Hachette Book Group, Inc. Усі права захищено.