|
Физик обнаружил частицы, совершающие невозможное
|
|
|
|
Эта история началась ещё в 1995 году, когда я начал свою докторскую диссертацию по физике в Имперском колледже в Лондоне. Я хотел измерить особый тип взаимосвязи между частицами в квантовых системах, поведение которых регулируется квантовой механикой, физикой мельчайших компонентов Вселенной. Эти квантовые частицы становятся запутанными, что означает, что они настолько связаны, что даже когда они находятся в отдалённых точках пространства, измерение свойств одной системы говорит вам и о другой, запутанной системе.
|
|
|
|
После защиты докторской диссертации я понял, что запутанность существует не только между двумя или более квантовыми системами. Такое поведение может также существовать в одном и том же квантовом объекте между двумя или более моментами времени. Я ввёл это понятие и дал ему название («запутанность во времени»), в отличие от запутанности в пространстве, которая описывает запутанность между различными квантовыми системами, или то, как квантовая информация передаётся между различными системами. Менее интуитивно понятна идея запутанности во времени, которая описывает, как объект в один момент времени обменивается квантовой информацией сам с собой в более поздний момент времени.
|
|
|
|
|
|
|
В то время я и представить не мог, что моя работа позже приведёт к потенциальному объединению квантовой физики и гравитации, и что чёрные дыры могут дать нам самые убедительные доказательства такого объединения. Оглядываясь назад, это не удивительно. Это потому, что наше лучшее на сегодняшний день объяснение поведения гравитации основано на теории общей относительности Эйнштейна, которая говорит нам, что гравитация состоит из ряби в пространстве-времени. Одно из её самых известных предсказаний — существование чёрных дыр, объектов настолько массивных и компактных, что их гравитационные силы не позволяют ничему, упавшему в них, вырваться наружу. Если яблоко, груша или луч света падают в черную дыру, результат всегда один и тот же: любая информация о происхождении или составе падающего вещества стирается.
|
|
|
|
Но действительно ли это так?
|
|
|
|
Эта потеря информации внутри черных дыр плохо согласуется с другой, столь же успешной теорией Вселенной — квантовой физикой, которая требует, чтобы информация всегда сохранялась. Поскольку законы квантовой физики обратимы, никакая информация никогда не может быть потеряна. Все, что произошло в одном направлении, в принципе, может быть отменено. Свет может быть преобразован в материю, например, когда фотоны стимулируют создание электрона и позитрона, но электрон и позитрон также могут аннигилировать, возвращая нам свет.
|
|
|
|
Это противоречие между квантовой физикой и общей теорией относительности часто упоминается как одно из главных препятствий на пути их объединения. Действительно, как мы можем объединить квантовую теорию и гравитацию, если, согласно одной теории, информация всегда сохраняется, а в другой она иногда может быть потеряна? Это объединение требует, чтобы гравитация приобрела квантовые свойства; Например, суперпозиция двух различных гравитационных сил в одной и той же точке. Однако из-за потери информации кажется, что черные дыры могут быть либо квантово-механическими объектами, либо гравитационными объектами, но никогда не одновременно и тем, и другим.
|
|
|
|
Стивен Хокинг, который выдвинул концепцию парадокса потери информации в черных дырах, впоследствии приблизил нас к его разрешению. Хокинг показал, что черные дыры не являются «полностью» черными. Они должны излучать в соответствии с законами квантовой механики. Это означает, что из черной дыры также должно выходить вещество, в конечном итоге приводящее к ее испарению. Таким образом, черные дыры демонстрируют квантовые свойства, поскольку все, что первоначально попадает в черную дыру, в конечном итоге может быть возвращено после полного испарения черной дыры.
|
|
|
|
Но, как часто бывает в физике, разрешение одного парадокса неизменно приводит к созданию другого. Согласно расчетам Хокинга, когда материя покидает черную дыру, она создает запутанность между внутренней и внешней частью черной дыры. Напомним, что квантовая запутанность — это состояние, в котором два объекта настолько полно обмениваются информацией, что идеально имитируют поведение друг друга. После того, как половина материи испаряется, мы достигаем состояния максимальной запутанности между внутренней и внешней частью чёрной дыры.
|
|
|
|
Однако логика Хокинга предполагает, что по мере дальнейшего испарения за этой точкой должна создаваться ещё большая запутанность. И это создаёт проблему для квантовой физики, поскольку запутанность является «моногамной».
|
|
|
|
Моногамия запутанности — это ключевое свойство квантовой информации. Это означает, что когда две вещи (например, внутренняя и внешняя части чёрной дыры) максимально запутаны, они не могут быть запутаны ни с чем другим. Таким образом, рассматривая чёрные дыры с точки зрения квантовой механики для решения парадокса потери информации, мы фактически заставили чёрные дыры нарушать это свойство.
|
|
|
|
Именно в этот момент я и занялся этой проблемой, поскольку запутанность — моя специализация. Я обнаружил ключевое свойство запутанности во времени: в отличие от запутанности в пространстве, она не обязательно должна быть моногамной. Это натолкнуло меня на идею, как разрешить нарушение моногамии в черных дырах. Я был очень взволнован, потому что это, наконец, могло бы привести нас к теории квантовой гравитации. Черные дыры испаряются, создавая пары запутанных частиц, одна из которых покидает черную дыру, а другая падает внутрь нее. Теперь, что касается частицы внутри, пространство и время поменялись ролями. Поскольку внешняя частица должна неизменно эволюционировать вперед во времени, внутренняя частица должна неизменно эволюционировать вперед в пространстве к центру черной дыры; об этом говорят уравнения Эйнштейна. Таким образом, испарение черной дыры можно рассматривать как преобразование пространственной запутанности во временную.
|
|
|
|
Было бы здорово проверить эту идею на реальных черных дырах. Однако наши современные технологии не позволяют нам сделать ничего подобного. Итак, после нескольких обсуждений с моей коллегой, доктором философии Кьярой Марлетто, мы решили, что можем смоделировать этот процесс в лаборатории. Мы обратились к нашему коллеге, доктору философии Марко Дженовезе, который является настоящим виртуозом в работе с фотонами. Он регулярно создает пары запутанных фотонов и выполняет с ними различные виды обработки информации. Мы предложили ему создать пару запутанных фотонов, но измерить один из фотонов дважды во времени. Это равносильно наличию одной пространственно запутанной пары фотонов и одной временно запутанной пары. И когда Марко и его группа протестировали обе эти запутанности, они обнаружили, что обе могут быть максимальными. Это подтвердило тот факт, что временная запутанность не обязательно должна быть моногамной. И если частицы в лаборатории могут нарушать моногамию в пространстве и времени, то, возможно, то же самое происходит и в черных дырах.
|
|
|
|
В настоящее время никто не знает, может ли моя идея привести к окончательному разрешению парадокса потери информации. Это возможно, но мы не узнаем наверняка, пока не протестируем настоящие черные дыры. Однако здесь есть нечто не менее интересное, заслуживающее нашего внимания. Когда две частицы запутаны в пространстве, мы можем передавать информацию от одной к другой с помощью протокола, известного как квантовая телепортация. Возможно ли, что квантовая телепортация также возможна с использованием временной запутанности? И, что еще более захватывающе, может ли временная запутанность позволить нам передавать информацию из будущего в прошлое?
|
|
|
|
Источник
|
