Квантовото заплитане се „провря” през червеева дупка

Разделена на две, съвременната физика описва света на субатомни частици и на гигантски космически обекти. Теориите са различни и нямат нищо общо една с друга, но идеално подхождат за своите цели.

Великият Алберт Айнщайн, който е бил яростен противник на квантовата физика, смятана по негово време за екстравагантна, е създал знаменитата теория на относителността, която разглежда явления от макросвета – тоест в космическото пространство.

Моделът, съставен от легендарния физик, смята, че някои небесни тела са толкова масивни, че изкривяват пространство-времето. А всичко, което е способно минимално да измени обичайния за нас ход на събитията, навява на мисли за фантастични пътешествия във времето, които наистина в един прекрасен ден може да станат реалност.

От другата страна на „медала” стои квантовата механика и нейните привърженици. Тя е раздел от съвременната физика, описващ поведението не на гигантските звезди и черните дупки, а на микроскопичните частици. Независимо че двете теории са верни, те нямат никакво отношение помежду си – квантовата механика не е способна да предскаже поведението на галактиките, а Айнщайн не е описал поведението на субатомните частици в квантовата система.

Дълги десетилетия много поколения физици се опитват да помирят враждуващите теории и да създадат единен модел. Някои изследователи в определена степен са постигнали успех в обединението на двата лагера. Нова работа на физици теоретици от САЩ прави още един опит.

За да разберем за какво иде реч от статията на физиците, публикувана в сп. Physical Review Letters, е необходимо да споменем някои понятия. Първото от тях идва от квантовата механика и се нарича квантово заплитане.

Може би е най-добре да дадем пример. Представете си, че вземате в ръце монета и я хвърляте във въздуха. Монетата си има две страни – така наречените ези и тура. След няколко секунди улавяте монетата и я приземявате в дланта си, а след това виждате само едната й страна.

Горе-долу същото се случва и с елементарните частици в квантовата система. Да допуснем, че частицата се върти в две посоки едновременно и да ги наречем „ези” и „тура”. Когато решите да „погледнете” към частицата, тоест да измерите квантовото й състояние, то се оказва, че тя се намира само в едно състояние, макар преди да й хвърлите поглед, те да са били две.

Сега малко по-сложно. Специалистите в областта на квантовата физика просто могат да си представят двете частици (в някои случаи – двете части на една частица), разделени на милиарди светлинни години, но свързани от тайнствена квантова връзка – заплитане.

Нека двете се намират на различни краища на Вселената и двете да се въртят в две посоки едновременно. В даден момент някой физик измерва квантовото състояние на едната от тях и определя, че то е еквивалентно на „ези”. С увереност може да се каже, че частицата на противоположния край на Вселената се намира в квантово състояние „тура”.

В действителност частиците в квантовата система повече напомнят не двустранни монети, а шестстранни игрални зарове. По този повод Айнщайн някога е казал: „Бог не си играе на зарове.” Много години след това друг, не по-малко известен физик – Стивън Хокинг, е отвърнал: „Бог не само си играе на зарове, но понякога ни обърква, като ги хвърля там, където не можем да ги видим.”

Друго явление, важно за разбиране на новия модел, се нарича „червева дупка”. Този термин е дошъл от макросвета и съществува само благодарение на теорията на относителността на Айнщайн, предполагаща гравитационно изкривяване на пространство-времето.

Ако даден обект, например черна дупка, е достатъчно масивен, то той е способен да създаде в пространство-времето тунел, който нищо не може да напусне. Две черни дупки, отдалечени една от друга на голямо разстояние, създават между себе си тунел, по който хипотетично може да се пътешества не само в пространството, но и във времето.

На пръв поглед двете тези явления (квантовото заплитане и червеевите дупки) създават опровержение на знаменитото убеждение, че нищо не може да се движи по-бързо от светлината. И все пак физиците не препоръчват това да се проверява на практика. Квантовото заплитане е невъзможно да се приложи за предаване на сигнали, а пътешествието през червееви дупки е безсмислено, тъй като така или иначе попадате в черната дупка.

И все пак явленията толкова си приличат, че е трудно това да не се забележи. През юни т.г. двама теоретици – Хуан Малдасена от Принстън и Ленард Съскинд от Станфорд – са представили как две черни дупки ще се намират в състояние на квантово заплитане една с друга. В резултат става ясно, че при такива условия между тях се образува пространствено-времеви канал, който по всички свойства прилича на червеева дупка.

Сега учените заговориха за обратното – необходим е опит за създаване на черевеева дупка между две субатомни частици – например кварки. Необичайният математически експеримент бил проведен от Кристан Дженсън от университета на Виктория в Канада и Андреас Карч от Вашингтонския университет.

Учените си представили двойка частици – кварк и антикварк, които се разлитат в различни посоки със скорост, близка до светлинната, и се намират в състояние на квантово заплитане. Триизмерното пространство, в което „живеят” кваркът и антикваркът, според Дженсън и Карч се явява граница на четириизмерната Вселена. И ако в нашия свят връзка между частиците е само проява на квантовото заплитане, то в четири измерения тя ще се появи като червеева дупка.

Тази хипотеза е потвърдена от изчисленията на друг физик – Джулиан Сонър от Масачузетския технологичен институт. Той представил двойка кварк-антикварк, възникваща в силно електрично поле и насочена с ускорение в противоположните точки. За аналогичните си изводи Сонър съобщава в своята статия, също публикувана в сп. Physical Review Letters.

В изчисленията си физиците са използвали т.нар. холографски принцип, описан подробно от Малдасена. Този принцип гласи, че квантовата теория, включваща гравитацията, в даденото пространство е еквивалентна на квантовата теория, изключваща гравитацията, в пространство с едно измерение по-малко.

„Червеевата дупка и квантовото заплитане не могат да съществуват в една Вселена, но математически те са напълно идентични”, пояснява Карч в съобщение на Вашингтонския университет.

И ако наблюдаваме двете явления, то възниква още по-интересен въпрос от този за пътешествията във времето – възможно ли е някъде да съществуват и четириизмерна, и двуизмерна Вселена?