Теоретическая физика не одно десятилетие пытается объединить квантовую механику и Общую теорию относительности в одну теорию квантовой гравитации. Но одно из главных препятствий — так называемая проблема времени.

В квантовой механике время универсально и абсолютно: его постоянный ход диктует запутывание между частицами. В то же время в Общей теории относительности — теории гравитации Альберта Эйнштейна — время относительно и динамично, оно представляет собой измерение, неразрывно переплетенное с пространственными измерениями, формируя таким образом четырехмерную ткань пространства-времени. Эта ткань искривляется, когда на ней находится вещество, из-за чего все, что находится вокруг него, — если оно обладает большей массой — начинает падать по направлению к нему, замедляя течение времени относительно часов, находящихся вдалеке. Этого же эффекта можно достичь, если сесть в ракету и ускориться при помощи топлива: для вас время замедлится, вы будете стареть не так быстро, нежели ваши друзья и родные на Земле.

Объединение квантовой механики и Общей теории относительности требует примирения их абсолютного и относительного понимания времени. Постепенно исследования в области теоретической физики, похоже, подводят ученых к черте объединения, а также пониманию истинной природы времени.

Многие ведущие физики сегодня склоняются к тому, что пространство-время и гравитация — это эмерджентные феномены. Изгибающееся и искривляющееся пространство-время и вещество в нем — что-то сродни голограммы, происходящей из сети запутанных кубитов (квантовых битов информации), вроде трехмерной окружающей среды в видеоигре, которая запрограммирована в форме классических битов на кремниевом чипе. Физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии сказал: «Думаю, сейчас мы понимаем, что пространство-время — по сути, всего лишь геометрическая репрезентация запутанной структуры этих фундаментальных квантовых систем».

Исследователи разработали математический аппарат, с помощью которого показали, как голограмма появляется в «игрушечных» вселенных с геометрией пространства-времени в виде «рыбьего глаза» — в антидеситтеровском пространстве. В этих искривленных мирах пространственные приращения все больше сокращаются по мере движения от центра. В конце концов пространственное измерение, простирающееся от центра, сжимается в ничто, доходя до своего предела. Наличие этого предела, который содержит на одно пространственное измерение меньше, чем внутреннее пространство-время, или «балк», помогает в вычислениях, предоставляя твердое основание, на котором можно моделировать запутанные кубиты, проецирующие голограмму внутри такой вселенной. Внутри балка, согласно моделям и вычислениям, время начинает сильно искривляться вместе с пространством.

Состояния кубитов развиваются в соответствии с универсальным временем, словно выполняя последовательности в компьютерном коде, при этом производя искривленное, релятивистское время в балке антидеситтеровского пространства. Единственное но — в нашей Вселенной все работает не совсем так.

Согласно моделям, запутанность постепенно создает пространство-время. Сначала друг с другом запутываются отдельные частицы, которые затем запутываются с другими запутанными парами. По мере запутывания все большего количества частиц возникает четырехмерная структура пространства-времени / © Olena Shmahalo/Quanta Magazine

Здесь ткань пространства-времени обладает деситтеровской геометрией, растягиваясь, когда вы смотрите вдаль. Ткань растягивается, пока Вселенная не упрется в предел, сильно отличающийся от того, что есть в антидеситтеровском пространстве, — и это будет конец времени. В тот момент, во время события, известного как тепловая смерть Вселенной, пространство-время растянется настолько сильно, что все в нем потеряет причинно-следственную связь друг с другом. Можно сказать, тогда время разрушится. Как только это случится, во Вселенной уже ничего не будет происходить.

На безвременной границе нашего пространственно-временного пузыря запутанности, связывающие между собой кубиты (и шифрующие динамическую внутренность Вселенной), предположительно, остались бы нетронутыми, так как эти квантовые соотношение не требуют передачи сигналов. Но в таком случае состояние кубитов должно быть статичным и безвременным. Такой ход рассуждений предполагает, что каким-то образом — как кубиты на границе антидеситтеровского пространства порождают внутреннюю область с одним дополнительным пространственным измерением — кубиты на безвременной границе деситтеровского пространства могут породить Вселенную со временем, в частности с динамическим. Ученые еще не выяснили, как именно проводить эти вычисления в деситтеровском пространстве, — четкого понимания о возникновении времени еще нет.

В 1980-х физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс обнаружили зацепку. Пейдж, работающий сегодня в Альбертском университете, и Вуттерс, работавший до 2017 года в Колледже Уильямса, обнаружили, что глобально статичная запутанная система может содержать в себе подсистему, которая развивается, с точки зрения наблюдателя, внутри нее. Такая система, известная как «историческое состояние», состоит из подсистемы, запутанной с тем, что можно назвать часами. Состояние подсистемы различается в зависимости от того, находятся ли часы в состоянии, при котором часовая стрелка указывает на единицу, двойку, тройку и так далее. Тем не менее общее состояние системы с часами не меняется, так как времени как такового нет. Это неизменное состояние. Другими словами, в глобальном смысле времени не существует, но в подсистеме возникает эффективное понятие времени для нее.

В 2013 году команда исследователей из Италии экспериментально продемонстрировала этот феномен. Подводя итоги своей работы, ученые сообщали: «Мы показываем, как статическое запутанное состояние двух фотонов можно рассматривать в качестве развивающегося с точки зрения наблюдателя, использующего один из двух фотонов как часы — для оценки временного развития другого фотона. Однако сторонний наблюдатель может показать, что глобально запутанное состояние не развивается».

Другая теоретическая работа, также проведенная в 2013 году исследователями из Калифорнийского технологического института (Калтех), привела к очень похожим выводам. Геометрические паттерны — вроде амплитуэдра, — описывающие результаты взаимодействий между частицами, также подразумевают, что реальность возникает из чего-то безвременного, абсолютно математического. Однако пока не ясно, как именно связаны амплитуэдр и голография.

Амплитуэдр в представлении художника – вновь открытый математический объект, похожий на многогранную жемчужину в высших измерениях / © Andy Gilmore

В книге «Порядок времени» (The Order of Time) физик Карло Ровелли тоже описывает время как эмерджентный феномен. По его словам, абсолютного понятия одновременности каких-либо двух событий не существует из-за ограничений физических законов. Например, даже смотря на какой-то объект, мы видим его не в тот момент, в который мы на него посмотрели, как минимум по двум причинам. Так, свету необходимо пройти какое-то расстояние от объекта до глаза, а затем зрительному сигналу нужно дойти до мозга, где он в итоге будет обработан, прежде чем мы «получим картинку». Ровелли утверждает, что время — не более чем результат приближений и упрощений, которые позволяют нам, людям, воспринимать реальность в соответствии с нашими ограничениями.

Время от времени появляются работы, в частности по исследованию квантовых систем, в которых предполагаются независимость от причинно-следственных связей, течение времени назад и множество других необычных феноменов. Возможно, время и впрямь может возникнуть из безвременных степеней свободы при помощи запутанности. Время покажет.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Великий фильтр на страже космической тишины;

– Альберт Эйнштейн и его уникальное наследие;

– Десять красивых опытов, которые вы можете провести дома вместе с детьми.

В конце 1990-х физики-теоретики обнаружили примечательную связь между двумя, казалось бы, несвязанными концепциями в теоретической физике. Эта связь имеет принципиально технический характер, но она может иметь далеко идущие последствия для нашего понимания гравитации и даже всей Вселенной.

Чтобы проиллюстрировать эту связь, мы начнем… с черной дыры. Исследователи обнаружили, что при попадании одного бита информации в черную дыру, площадь ее поверхности увеличивается на очень точное значение: квадрат планковской длины (около 1,6 х 10-35 метра).

Поначалу факт увеличения черной дыры при падении в нее вещества или энергии может показаться не особо интересным. Однако удивительно здесь то, что в прямой пропорции с попавшей в черную дыру информацией увеличивается именно площадь ее поверхности, а не объем, что в корне отличается от любого другого из известных объектов во Вселенной. В случае большинства известных нам объектов справедливо утверждать, что при «поглощении» одного бита информации, объем объекта вырастет на единицу, а площадь его поверхности – всего на долю. Но в случае с черными дырами ситуация обстоит иначе. Как будто эта информация попадает не внутрь компактного объекта, а остается на его поверхности.

Голограмма черной дыры

Голограмма – это изображение системы, полученное при помощи меньшего количества измерений, способное вместить в себя всю информацию из оригинальной системы. Например, мы живем в трех (пространственных) измерениях. Когда вы делаете селфи, камера смартфона делает двухмерный снимок вашего лица, но при этом не запечатлевает всю информацию, и когда позже вы рассматриваете ваш снимок и подбираете фильтр, вы не можете, например, увидеть свой затылок, как бы вы ни крутили изображение.

Иллюстрация излучения Хокинга / © Communicate Science

Запись голограммы сохранила бы всю эту информацию. Даже будь она двухмерной, вы все равно смогли бы исследовать ее со всех углов в трех измерениях.

Описание черной дыры как голограммы может предоставить решение так называемому информационному парадоксу черных дыр – проблемы, связанной с тем, куда девается информация при попадании вещества за горизонт событий. Однако, это отдельная тема, статью на которую вы можете прочесть здесь. Концепция черной дыры, как голограммы также является хорошим примером, который стоит помнить при рассмотрении всей Вселенной.

Жизнь на границе

Связь между ответвлениями физики на первый взгляд не связанных между собой, о которой говорилось в начале это статьи – это другое применение голографических приемов, известное как AdS/CFT-соответствие.

AdS означает «антидесситоровское пространство» – частное решение уравнений Общей теории относительности Эйнштейна, описывающее абсолютно пустую вселенную с отрицательной кривизной пространства. Это довольно скучная вселенная: в ней нет вещества или энергии, а параллельные линии в итоге расходятся из-за геометрии, лежащей в ее основе. Пусть оно и не описывает Вселенную, в которой мы живем, для начала это уже какая-то вселенная. И у этой модели есть необходимые математические свойства для осуществления связей, необходимых теоретикам.

Слева: модель антидеситтеровского пространства. Справа: модель нашей Вселенной / © The Physics Mill

Другой стороной этого соответствия является система, известная как конформная теория поля (conformal field theory, CFT). Теоретическая физика не очень аккуратна с теориями полей – это те самые молоты, при помощи которых ученые забивают множество квантовых гвоздей, используемых для описания трех из четырех сил природы. У электромагнетизма, сильного ядерного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия есть описания в теории поля, которые активно использовались в течение последних 50 лет.

Теперь, когда мы разобрались со всеми нужными определениями, давайте рассмотрим, почему эта связь так важна.

Скажем, вы пытаетесь решить очень сложную задачу вроде квантовой гравитации при помощи теории струн, которая в свою очередь является попыткой объяснить все фундаментальные взаимодействия и частицы во Вселенной с точки зрения маленьких вибрирующих струн. На самом деле, это настолько сложная задача, что до сих пор никто не нашел ей решения, несмотря на десятилетия попыток. AdS/CFT-соответствие говорит нам, что для того, чтобы избежать невероятной головной боли, можно использовать голографический прием.

Вместо того, чтобы пытаться решить проблему квантовой гравитации в нашей трехмерной Вселенной, AdS/CFT-соответствие позволяет нам переключиться на эквивалентную проблему на границе вселенной, где:

А) присутствует всего два измерения;

Б) отсутствует гравитация.

Именно, на границе нет гравитации. Умопомрачительно сложная математика теории струн замещается набором просто безумно сложных уравнений теории поля. Далее у вас появляется возможность решить свои задачи без того, чтобы в них вмешивалась гравитация, и перенести полученный результат в нормальную трехмерную Вселенную и сделать предсказания.

Структура оболочки и космологической границы вселенной, расширяющейся в пустоту / © DPons

Не так быстро!

Звучит все это, как чудесная идея: обмануть природу, обойдя гравитационные махинации. Более того, это может оказаться замечательным способом «решить» квантовую гравитацию. Однако тут есть несколько моментов. Во-первых, вы не живете во вселенной с антидесситоровским пространством. Наша Вселенная полна вещества, излучения и темной энергии, и обладает практически идеальной плоской геометрией. Существует ли похожее соответствие, которое работает в нашей реальной Вселенной? Возможно, и теоретики усердно работают над ее поисками.

Модель голографической вселенной в AdS/CFT-соответствии / © Alfred T. Kamajian

Во-вторых, «граница», о которой говорится в AdS/CFT-соответствии, – это космологический горизонт, граница того, что мы можем видеть в нашей наблюдаемой Вселенной. И все бы ничего, но мы живем в динамическом пространстве-времени с постоянно расширяющимся пространством, где граница постоянно смещается. Современные теории пока не очень хорошо справляются с этим моментом.

И в-третьих, когда вы переходите от полностью описанной антидеситтеровской вселенной к более простой пограничной модели, к которой применима конформная теория поля, новые наборы уравнений разрешимы только в принципе. И они вполне могут оставаться такими же невероятно сложными для решения. Так что, если вы срезали угол и обошли гравитацию, это не означает, что вы уже со всем разобрались. А иначе теоретики, работающие в этой области, давно бы уже нашли единое решение этой проблемы.

Жизнь в голограмме?

Итак, живем ли мы в голограмме? Даже, если связь AdS/CFT-соответствия окажется плодотворной для работы с квантовой гравитацией, и если ученые смогут найти способ обойти сложности и сделают эту технику соответствующей Вселенной, в которой мы живем, это не будет значить, что мы действительно живем в голограмме. Другими словами, если AdS/CFT-соответствие предоставляет удобный способ решения проблем с гравитацией, это вовсе не означает, что наша Вселенная с гравитацией и тремя пространственными измерениями – иллюзия, и мы на самом деле живем на двухмерной границе без гравитации.

Математические аппараты, насколько бы полезными они не были, не обязательно точно диктуют то, как нам следует воспринимать фундаментальную природу реальности. Если голографические принципы полезны для решения задач, это не означает, что мы живем в голограмме. И даже, если бы мы действительно жили в голограмме, мы все равно вряд ли смогли бы заметить разницу.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Вернут ли его домой? «Марсианин» в деталях;

– Топ главных детищ Илона Маска;

– Пещеры всех людей.