Кротові нори і квантова заплутаність: є зв'язок

Фізики-теоретики виявили зв'язок між кротовими норами в просторі-часі і явищем квантової заплутаності. Можливо, їх відкриття - крок на шляху до однієї з найбільших цілей теоретичної фізики: примирити квантову механіку із загальною теорією відносності Ейнштейна.

Квантова заплутаність пов'язує частинки таким чином, що маніпуляції з однією з них можуть миттєво позначитися на іншій, як би далеко вона не перебувала. При цьому, згідно з дивними законами квантового світу, кожна з частинок може перебувати в одному з двох протилежних станів - або в обох одночасно. Так, проекція спину елементарної частинки на заданий напрямок може бути позитивною, негативною, або перебувати в суперпозиції цих станів - бути і позитивною, і негативною одночасно, поки спроба виміряти спин не призведе до колапсу хвильової функції (переходу до одного з двох напрямків). Якщо мова йде про пару квантово заплутаних частинок, вимірювання спину однієї з них (припустимо, його проекція виявилася позитивною) негайно призведе до того, що друга частинка перейде з суперпозиції двох можливих станів у стан з певним спином (його проекція буде негативною). Це станеться миттєво, навіть якщо частинки перебуватимуть у багатьох світлових роках одна від одної.

Кротові нори - це топологічні особливості простору-часу, описані в рамках ОТГ. Масивні об'єкти деформують тканину простору-часу, створюючи ефект гравітації. Якщо маса об'єкта дуже велика, створювана ним «яма» в просторі-часі буде настільки глибока, що навіть світло не зможе покинути її - утворюється чорна діра. Теоретично, при з'єднанні двох чорних дір «спина до спини» ці «ями» можуть злитися в тунель, що пронизує простір-час - кротову нору.

На перший погляд, як явище квантової заплутаності, так і кротові нори пропонують привабливу можливість обійти обмеження ОТГ, згідно з яким жоден матеріальний об'єкт не може рухатися швидше світла. Але насправді використовувати квантову заплутаність для передачі інформації швидше швидкості світла не можна, так як неможливо вплинути на те, в якому саме стані виявиться частинка - «передавач» після проведеного виміру, а значить, неможливо і цілеспрямовано задати необхідний стан частини - «приймача». Точно також неможливо і прослизнути крізь кротову нору, оскільки ніщо не зможе покинути чорну діру, розташовану на її протилежному кінці.

У червні 2013 року фізики-теоретики Хуан Малдасена з Інституту перспективних досліджень у Прінстоні (США) і Леонард Сасскінд зі Стенфордського університету (США) показали, що між парою квантово заплутаних чорних дір формується кротова нора. А тепер дві незалежні групи вчених стверджують, що для формування кротової нори зовсім не потрібні настільки масивні об'єкти - вона може простягнутися між двома квантово заплутаними кварками.

Крістан Дженсен з Університету Вікторії (Канада) і Андреас Карч з Університету Вашингтона (США) описали квантово заплутану пару, що складається з кварка і антикварку, які мчать геть один від одного з навколосвітніми швидкостями, що робить неможливою передачу сигналів від одного до іншого. Дослідники вважають, що тривимірний простір, в якому рухаються кварки - це гіпотетична грань чотиримірного світу. У 3D-просторі квантово заплутані частинки з'єднані свого роду «струною». А в 4D-просторі ця «струна» стає кротовою норою.

Джуліан Соннер з Массачусетського технологічного інституту (США) представив квантово-заплутану пару кварк-антикварк, що народжується в сильному електричному полі, яке розлучає протилежно заряджені частинки, змушуючи їх прискорено рухатися в різних напрямках. Соннер також дійшов висновку, що частинки, квантово заплутані в тривимірному просторі, будуть з'єднані кротовою норою в чотиримірному.

При розрахунках фізики використовували так званий голографічний принцип - концепцію, згідно з якою вся фізика n-мірного світу повною мірою відображається на його «гранях» з кількістю вимірювань (n-1). При такому «проектуванні» квантова теорія, що враховує ефекти гравітації в чотиримірному просторі, еквівалентна квантовій теорії «без гравітації» в тривимірному. Іншими словами, чорні діри в 4D-просторі та кротова нора між ними математично еквівалентні їхній тривимірній голографічній проекції. «Заплутаність і кротова нора не існують в одному і тому ж просторі, проте математично вони еквівалентні», - пояснює Карч.

Сасскінд і Малдасена звертають увагу, що в обох нових роботах початкові квантові частинки розглядаються в рамках моделей, які не враховують вплив гравітації. У спрощеній, «безгравітаційній» моделі нашого світу не може бути ніяких чорних дір і кротових нір, тому зв'язок квантової заплутаності з кротовою норою залишається лише математичною аналогією. Їх еквівалентність «має сенс тільки в теорії з гравітацією», говорить Сасскінд. Однак Карч вважає, що навіть їхня спрощена модель «дає цілком певне уявлення про те, що кротові нори і квантова заплутаність можуть бути різними проявами однієї і тієї ж фізичної реальності».

За повідомленням Science Now