Защо все повече физици започват да мислят, че пространството и времето са „илюзии“

Миналия декември беше присъдена Нобеловата награда за физика за експерименталното потвърждение на квантов феномен, известен от повече от 80 години: заплитането. Както е замислено от Алберт Айнщайн и неговите сътрудници през 1935 г., квантовите обекти могат да бъдат мистериозно свързани дори ако са разделени от големи разстояния. Но колкото и странно да звучи феноменът, защо тази древна идея все още заслужава най-престижната награда във физиката?

По стечение на обстоятелствата, само няколко седмици преди скорошните Нобелови лауреати да бъдат почетени в Стокхолм, различен екип от изтъкнати учени от Харвард, Масачузетския технологичен институт, Калтек, Фермилаб и Google съобщи, че са изпълнили процес на квантовия компютър на Google, който може да обясни, че това е червеева дупка. . Червеевите дупки са тунели през вселената, които могат да действат като пряк път през пространството и времето и са обичани от феновете на научната фантастика, и въпреки че тунелът, реализиран в този последен експеримент, съществува само в игра с 2D вселена, той може да бъде пробив за бъдещи изследвания на върха на физиката..

Но защо заплитането е свързано с пространството и времето? И как може да е важно за бъдещи пробиви във физиката? Концепцията за преплитане, правилно разбрана, означава, че Вселената е „монометрична“, както я наричат ​​философите, и че всичко във Вселената, на фундаментално ниво, е част от едно обединено цяло. Определящо свойство на квантовата механика е, че нейната фундаментална реалност е описана във вълнови термини, а монадичната вселена изисква глобална функция. Преди десетилетия изследователи като Хю Евърет и Дитер Зе показаха как реалността на нашето ежедневие може да се появи от такова всеобхватно квантово-механично описание. Но едва сега изследователи като Леонард Съскинд или Шон Карол развиват идеи за това как тази скрита квантова реалност може да обясни не само материята, но и самата тъкан на пространството и времето.

Заплитането е много повече от просто още един странен квантов феномен. Това е действащият принцип както зад защо квантовата механика слива света в едно, така и защо преживяваме това фундаментално единство като много отделни неща. В същото време заплитането е причината да изглежда, че живеем в класическата реалност. То е – в буквалния смисъл на думата – спойката и създателят на светове. Заплитането се прилага за обекти, които са съставени от два или повече компонента, и описва какво се случва, когато квантовият принцип, че „всичко, което наистина може да се случи“, се приложи към тези съставни обекти. Съответно, състоянието на заплитане е наслагването на всички възможни комбинации, в които компонентите на компонентния обект могат да произведат същия общ резултат. Отново, вълнообразната природа на квантовото поле може да помогне да се обясни как всъщност работи заплитането.

Представете си съвършено спокойно стъклено море в бурен ден. Сега се запитайте как може да се постигне такова ниво чрез наслагване на два индивидуални вълнови модела? Една от възможностите е наслагването на две идеално плоски повърхности отново да доведе до идеално плосък резултат. Но друга възможност, която може да доведе до плоска повърхност, е ако два идентични вълнови модела се наслагват един върху друг чрез половин цикъл на трептене, така че вълновите гребени на единия модел елиминират вълновите падини на другия и обратно. Ако просто наблюдаваме обиколката на стъкловидното тяло, тъй като тя е резултат от две издутини заедно, няма да има начин да различим моделите на отделните издутини. Това, което изглежда съвсем обикновено, когато говорим за вълни, има още по-странни последици, когато се приложи към конкуриращи се реалности. Ако вашият съсед ви каже, че има две котки, едната жива, а другата мъртва, това означава, че първата или втората котка е мъртва, а останалата съответно е жива – това би бил странен и призрачен начин за описание на домашни любимци, и може да не знаете кой от тях е късметлията, но ще получите On the drift of the съседа. Не е така в квантовата сфера. В квантовата механика същото твърдение показва, че двете котки са се слели в суперпозиция от състояния, включително първата котка е жива, а втората е мъртва и първата котка е мъртва, докато другата е жива, но също и възможности, при които и двете котки са наполовина живи и полумъртви, или че първата котка е Една трета от тях са живи, докато вторите котки добавят до две трети от изгубения живот. В една количествена двойка котки съдбите и обстоятелствата на отделните животни изчезват напълно в случая на цялото. По същия начин в квантовата вселена няма отделни обекти. Всичко, което съществува, се комбинира в едно единствено „едно“.

Квантовото заплитане разкрива изцяло нова, обширна област за изследване. То дефинира нова основа за науката и преобръща търсенето ни на теория за всичко с главата надолу – да се гради върху квантовата космология, а не върху физиката на частиците или теорията на струните. Но колко реалистично е физиците да възприемат такъв подход? Изненадващо, това не е просто реалистично – те наистина го правят. Изследователите в челните редици на квантовата гравитация започват да преосмислят пространство-времето като следствие от заплитането. Все по-голям брой учени започват да основават изследванията си върху неделимостта на Вселената. Големи са надеждите, че чрез този подход те най-накрая могат да стигнат до истинско разбиране на пространството и времето, в дълбините на основата им.

Независимо дали пространството се държи заедно чрез преплитане, физиката се описва от абстрактни обекти отвъд пространството и времето или пространството на възможностите, представено от универсалната вълнова функция на Еверет, или всичко във Вселената е сведено до единичен квантов обект – всички тези идеи споделят отличителен привкус на монизъм. Понастоящем е трудно да се прецени коя от тези идеи ще информира бъдещето на физиката и коя в крайна сметка ще изчезне. Интересното е, че докато идеите първоначално са били разработени в контекста на теорията на струните, те изглежда са надраснали теорията на струните и струните вече не играят роля в най-новите изследвания. Общата нишка сега изглежда е, че пространството и времето вече не са от съществено значение. Съвременната физика не започва с пространството и времето, за да продължи нещата, изложени в този вече съществуващ фон. Вместо това пространството и времето се възприемат като продукти на по-фундаментална реалност на проектора. Нейтън Сайбърг, пионер на струнните теоретици в Принстънския институт за напреднали изследвания, не е сам в своето чувство, когато казва: „Почти съм сигурен, че пространството и времето са илюзии. Това са елементарни концепции, които ще бъдат заменени от нещо по-сложно.“ Освен това, в повечето сценарии, които предлагат възникващи космически времена, заплитането играе основна роля. Както посочва философът на науката Расмус Яксланд, това в крайна сметка означава, че във Вселената вече няма отделни обекти; Че всичко е свързано с всичко останало: „Да прегърнеш заплитането, тъй като светът създава връзка, идва с цената на отказ от възможността за разделяне. Но може би онези, които са готови да предприемат тази стъпка, трябва да гледат на заплитането за основната връзка, чрез която ще оформи потенциала на този свят (и може би на целия друг свят).“ Така, когато пространството и времето изчезнат, се появява обединено.

Напротив, от гледна точка на квантовия монизъм подобни умопомрачителни последствия от квантовата гравитация не са далече. Още в общата теория на относителността на Айнщайн пространството вече не е стационарна фаза. По-скоро той е източникът на масите материя и нейната енергия. Подобно на възгледа на немския философ Готфрид В. Лайбниц, той описва относителния ред на нещата. Ако сега, според количествената единица, е останало само едно нещо, няма какво да се подрежда или подрежда и в крайна сметка вече няма нужда от понятието пространство на това фундаментално ниво на описание. Той е „Единственият“, една единствена квантова вселена, пораждаща пространство, време и материя.

„GR = QM“, Леонард Съскинд смело заяви в отворено писмо до изследователи в квантовата информационна наука: Общата теория на относителността не е нищо друго освен квантова механика – стогодишна теория, която е прилагана с голям успех към всякакви неща, но никога наистина беше. Напълно разбираемо. Както отбелязва Шон Карол, „гравитацията вероятно не е била определена количествено и пространство-времето се е спотайвало в квантовата механика през цялото време“. За в бъдеще, „вместо да определяме гравитацията, може би трябва да опитаме квантовата механика. Или, по-точно, но по-малко вълнуващо, „да намерим гравитацията вътре в квантовата механика“, предлага Карол в своя блог. Квантът сериозно от самото начало, ако се разбира като теория което не се случва в пространството и времето, а в рамките на една по-фундаментална реалност на устройството за показване, много задънени улици в изследването на квантовата гравитация биха могли да бъдат избегнати. Ако бяхме приели монистичните ефекти на квантовата механика – Наследството на три хиляди- годишна философия, прегърната в древността, преследвана през Средновековието, възродена през Ренесанса, бъркана в романтизма – ранният Еверет и Зи биха се позовали на тях, вместо да се придържат към интерпретацията на влиятелния квантов пионер Нилс Бор, който прекъсна неговата механика Превръщайки се в инструмент, ние ще бъдем на път да демистифицираме самите основи на реалността.

Адаптирано от Първо: как една древна идея държи бъдещето на физиката от Хайнрих Бас. Авторско право © 2023. Предлага се от Basic Books, отпечатък на Hachette Book Group, Inc. Всички права запазени.