Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Зашифрованное письмо от Хуана Мальдацены, отправленное им по электронной почте приятелю-физику Леонарду Сусскинду в 2013 году, дало ключ к решению парадоксов, вращающихся вокруг черных дыр, и, возможно, таким образом объединило квантовую теорию с общей теорией относительности. Оно содержало простое равенство: ЭР = ЭПР. Это короткое уравнение обещает наладить связь между двумя сильно различающимися частями физики, выдвинутыми Альбертом Эйнштейном.

Общая теория относительности Эйнштейна всегда проходила экспериментальные проверки, но мы знаем, что в ней чего-то не хватает. Теория описывает пространство-время как податливую, гладкую и лишенную особенностей декорацию реальности. Даже в экстремальном случае черных дыр пространство-время гладкое. Но в 70-е годы XX века физики Яаков Бекенштейн и Стивен Хокинг получили странный результат: черные дыры обладают температурой, а следовательно и свойством, называемым энтропией. Это переводит нас в область квантовой теории, где все распространяется дискретными порциями. Энтропия является мерой того, сколькими способами вы можете организовывать различные составляющие системы, например числа расположений атомов в газе. Более вероятные конфигурации означают более высокую энтропию. Но если черная дыра – это всего лишь гладкое пространство-время, она не должна иметь подструктуры и, соответственно, обладать энтропией. Для многих это является указанием на недостаток в теории Эйнштейна.

Эйнштейн аналогично относился к квантовой теории. В 1935 году статья, которую он написал вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном, выявила свойство квантового мира, в котором частицы могут мгновенно воздействовать друг на друга, даже находясь на противоположных концах Вселенной. С точки зрения Эйнштейна, это «жуткое действие на расстоянии» – квантовая запутанность, как ее стали называть, – было абсурдным. А около черных дыр, где запутанность встречается с общей теорией относительности, она создает все те парадоксы, которые мы до сих пор не способны устранить.

Поразительное озарение Мальдацены, пришедшее к нему в 1997 году, дало новую надежду на разрешение этой проблемы и понимание того, как встречаются гравитация и квантовая механика. Он предположил, что уравнения, описывающие гравитацию в некоторой области пространства-времени, были точно такими же, как квантовые уравнения системы, описывающей поверхность той области. Если вы можете решить уравнения для поверхности, вы можете получить жизнеспособную теорию, описывающую гравитацию внутри. Другие физики обнаружили, что эта «двойственность Мальдацены» работала, хотя они не знали почему.

В 2001 году Мальдацена привел интригующий пример, возвращаясь назад к статье, написанной Эйнштейном, снова вместе с Розеном, в 1935 году. Эта статья выявила еще одну особенность черных дыр. Она показала, как две черные дыры можно соединить коротким отрезком пространства-времени, известным как мост Эйнштейна – Розена, или кротовая нора. Согласно двойственности Мальдацены, кротовая нора может образоваться, только если поверхности двух черных дыр квантово запутаны. В 2009 году физик-теоретик Марк ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии думал над тем, что произошло бы при медленном уменьшении величины запутанности между черными дырами. Ответ был очень похож на растягивание двух концов куска жевательной резинки. Кротовая нора становится тоньше, пока не разорвется, и в итоге вы получаете два изолированных куска пространства-времени (см. рис. 8.4). Если обратить процесс, повышая запутанность, то кротовая нора начнет образовываться снова.

Рис. 8.4. Ткань реальности: она может быть соткана из квантовой запутанности.

Потребовалось еще несколько лет для достижения понимания, а также до отправки Мальдаценой того возбужденного письма с уравнением ЭР = ЭПР. Часть ЭР относилась к статье Эйнштейна, написанной вместе с Розеном и вводящей концепцию кротовых нор, а ЭПР – к статье, которую он написал с Подольским и Розеном в тот же год, вводя концепцию запутанности. Что если кротовые норы и запутанность являются сторонами одной медали – той же самой физики, но в разных обличьях?

Этот принцип дает некоторое объяснение явлению, выявленному в работе ван Раамсдонка, где пространство-время в форме кротовых нор может быть создано и разрушено просто регулированием числа запутанностей. Этим предлагается радикальная идея: все пространство-время – это проявление запутанности.

Означает ли это, что когда, квантовая запутанность существует между двумя частицами, скажем фотонами в лабораторном эксперименте, они соединены микроскопической кротовой норой? Мы не знаем. До сих пор вся работа проделывалась с пространством-временем, которое не расширяется. Ван Раамсдонк и другие работают над распространением результатов на расширяющееся, ускоряющееся пространство-время, составляющее наш космос.

Не всех убедили такие радикальные нововведения, но для тех, кто причастен, это самый оптимистичный путь к теории квантовой гравитации, которая сможет объединить силы природы. Принцип ЭР = ЭПР – это то, чему теория квантовой гравитации должна подчиняться, говорят Мальдацена и Сусскинд. Последний рассуждает дальше: квантовая запутанность – это форма общей информации, так что пространство-время может быть проявлением квантовой информации.

Если учесть, что Эйнштейн разработал идеи как кротовых нор, так и запутанности, можно только гадать, что бы он еще построил из них.

Общая теория относительности утверждает, что Вселенная началась с сингулярности, где все ее вещество и энергия были сжаты в точку. Она также гласит, что законы физики нарушаются на сингулярности, так что невозможно предсказать, что там случилось.

Но некоторые космологи предполагают, что там произошел «большой отскок», в котором наша Вселенная выросла из пепла раннего космоса, а он в свою очередь закончился «большим сжатием» – процессом, который должен повториться, когда нынешней Вселенной придет конец. «Большой отскок» был смоделирован с использованием петлевой квантовой гравитации, но этот подход потерпел неудачу, когда физики изучили детали.

Новая идея от Нила Турока из Института теоретической физики в Ватерлоо (Канада) и Стеффена Гилена из Имперского колледжа Лондона также дает нам толчок. Они используют принцип физики элементарных частиц: на очень высоких энергиях вещество ведет себя как свет. В частности, оно перестает зависеть от масштабов – уравнения, описывающие его поведение, те же самые, независимо от энергии света или размера Вселенной, его содержащей. Согласно Туроку, это означает, что Вселенная может сжаться до нуля и появиться снова, а свет при этом ничего не узнает.