У червоточин и квантовой запутанности может быть много общего

Предположение крайне спорное. Физики-теоретики провели параллель между концепцией запутанности — такой таинственной квантово-механической связи между двумя удаленными друг от друга частицами — и кротовыми норами, или червоточинами, — гипотетической связи между черными дырами, которые служат короткими проходами сквозь пространство. Понимание этого процесса может помочь физикам примирить квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна. Возможно, это величайшая цель в области теоретической физики. Некоторые эксперты утверждают, что связь между этими двумя понятиями сугубо математическая аналогия.

Запутанность соединяет квантовые частицы, поэтому воздействие на одну из них мгновенно меняет и другую. Согласно странным квантовым законам, которые царят в субатомном царстве, крошечная частица может находиться в двух разных состояниях одновременно. Например, спин атома может быть направлен вверх или вниз, или же в двух направлениях одновременно. Двойственное состояние атома сохраняется до того момента, пока не будет проведено измерение состояния, и в этот момент состояние «коллапсирует» до одного из двух состояний. Два атома могут быть запутаны так, что будут находиться в обоих состояниях, но их спин будет полностью коррелировать, например, указывать в одном направлении. И если мы измерим один из атомов и установим, что спин направлен вверх, второй атом мгновенно примет такое же положение, даже если будет за много световых лет от нашей планеты.

Кротовые норы, с другой стороны, предсказаны в рамках ОТО Альберта Эйнштейна, которая описывает то, как массивные объекты искажают пространство и время, или пространство-время, создавая то, что мы называем гравитацией. Если объект будет достаточно массивным, он может создать дыру в пространстве-времени, которая будет настолько плотной и тяжелой, что даже свет не сможет ее покинуть — это черная дыра. В принципе, две разделенных черных дыры могут соединяться определенным путем, создавая своеобразный переход сквозь пространство-время — червоточину.

На первый взгляд, запутанность и червоточины обе противоречат постулатам Эйнштейна, ведь ничто не может двигаться быстрее, чем свет. Но в обоих случаях этого не происходит. Запутанность не может быть использована для передачи сигналов быстрее скорости света, потому что мы не можем контролировать результат измерений одного атома и тем самым умышленно устанавливать состояние другого. Точно так же никто не может пройти сквозь горловину черной дыры, поскольку не будет возможности покинуть дыру на том конце. Но связь есть. В июне Хуан Малдасена из Стэнфордского университета в Пало-Альто и Леонард Сасскинд, теоретик, представили связь квантовых состояний двух черных дыр. Затем вообразили их разведенными. Когда это происходит, говорят ученые, формируется червоточина между двумя черными дырами.

Это не удивляет, ведь ученые начали с черных дыр. Но не так давно независимая группа ученых заговорила о том, что есть возможность создания соединенной червоточины между двумя отдельными квантовыми частицами типа кварков, из которых состоят протоны и нейтроны.

Кристиан Дженсен из Университета Виктории в Канаде и Андреас Карх из Вашингтонского университета в Сиэттле представили запутанную пару кварк-антикварк в обычном трехмерном пространстве, о чем и рассказали 20 ноября в Physical Review Letters. Два кварка отдаляются друг от друга на скорости света, поэтому передать сигнал с их помощью невозможно. Исследователи предположили, что трехмерное пространство, в котором находятся кварки, представляет собой гипотетическую грань четырехмерного мира. В таком трехмерном пространстве запутанная пара соединяется своего рода концептуальной струной. Но в четырехмерном пространстве струна становится червоточиной.

Джулиан Соннер из Массачусетского технологического института в Кэмбридже продолжил работу Карха и Дженсена. Он представил пару кварк-антикварк, которая рождается в мощном электрическом поле, которое, в свою очередь, придает ускорение частицам в противоположном направлении. Соннер также считает, что запутанные частицы в трехмерном мире связаны червоточинами в четырехмерном мире, о чем и поспешил рассказать журналу.

Для достижения такого результата Дженсен, Карх и Соннер использовали так называемый голографический принцип, который вывел Малдасена, и который гласит о том, что квантовая теория с гравитацией в данном пространстве эквивалентна квантовой теории без гравитации в пространстве с минус одним измерением, которое составляет границу исходного пространства. Другими словами, черные дыры в четырехмерном пространстве и червоточины между ними математически эквивалентны своим голографическим проекциям на пределах трехмерного мира. Эти проекции по существу являются элементарными частицами, которые функционируют по законам квантовой механики без гравитации и соединяются струной.

«Червоточина и запутанная пара не существуют в одном и том же пространстве», — говорит Карх. Но добавляет, что математически они эквивалентны.

Насколько это важно? Зависит от того, кого вы спросите. Сасскинд и Малдасена отмечают в обеих статьях, что оригинальные квантовые частицы находятся в пространстве без гравитации. В упрощенном, свободном от гравитации трехмерном пространстве нашего мира они не могут быть ни черной дырой, ни червоточиной. Сасскинд добавляет, что именно поэтому соединение червоточины в многомерном пространстве является всего лишь математической аналогией. Эквивалент червоточин и запутанности «имеет смысл только в теории с гравитацией».

А вот Карх и его коллеги говорят, что их расчеты являются важным первым шагом на пути к проверке теории Малдасены и Сасскинда. Их игрушечная модель без гравитации, как говорит Карх, «дает конкретную идею того, что геометрия червоточин и запутанность могут быть разными проявлениями одной и той же физической реальности».