Преди сто години, след като Айнщайн разработва обща относителност, физиците все още се борят да се справят с може би един от най-трудните проблеми с несъвместимостта във Вселената. Айнщайн описа пейзажа на пространството-времето като подобен на картината на Салвадор Дали - гладък, безпроблемен, без прекъсвания, геометричен. Но квантовите частици, които запълват пространството, приличат повече на създаването на Жорж-Пиер Серат - точка, дискретна, описана от вероятности. Основите на тези две описания си противоречат. Новата идея обаче предполага, че квантовите корелации на различни точки от импресионистичната живопис създават не само пейзажите на Дали, но и платното, върху което са нанесени - както и триизмерното пространство около тях. Айнщайн, както често се случва с него, е в центъра на всичко това, все още обръщайки нашите теории с главата надолу.
Описание на нова идея, ER = EPR - като инициали, издълбани на дърво. Това е обединяването на две идеи, предложени от Айнщайн през 1935г. Единият е парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен (EPR), „призрачно действие на разстояние“между две елементарни частици. Втората е свързването на две черни дупки през червячи (мост на Айнщайн-Розен, ER). По времето на раждането на тези идеи не се виждаше връзка между тях.
Парадоксът на EPR дори удари страниците на вестниците
Но что, если принять, что эти две идеи – проявления одного и того же? Тогда эта связь окажется основой всего пространства-времени. Квантовая запутанность, которая так беспокоила Эйнштейна, будет проявлением пространственных связей, сшивающих пространство, как говорит Леонард Саскинд, физик Стэнфордского университета и один из авторов идеи. Без таких связей пространство распалось бы на «атомы», по мнению Хуана Малдацены, физика из Принстонского института перспективных исследований, со-автора идеи. «Иными словами, сплошная и надёжная структура пространства-времени возможна лишь благодаря незримым запутанностям»,- говорит он. Более того, гипотеза ER = EPR может пролить свет на связь гравитации и квантовой механики.
Разбира се, не всеки харесва тази идея (и според Саскинд не би трябвало - тя все още е в начален стадий). Джо Полчински, изследовател от Калифорнийския университет в Санта Барбара, е предпазлив в оценките си, но се интересува: „Не знам накъде става това, но изглежда достатъчно интересно“.
Войни с черна дупка
Промоционално видео:
Пътят, довел до ER = EPR, сам по себе си е подобен на лист на Мобиус, превръща се в себе си и прилича на рисунките на Ешер.
Можем да започнем с квантово заплитане. Ако две частици са заплетени, те се превръщат в две части от едно цяло. Това, което се случва с едното, се случва и на другото, независимо от разстоянието между тях.
Хуан Малдацена
Малдацена обяснява това с чифт ръкавици: ако намерите правилната, веднага знаете, че другата ще е лявата. В това няма нищо страшно. Но в квантовата механика и двете ръкавици са отляво и отдясно (и всички междинни опции) наведнъж, докато не наблюдавате една от тях. Това, което е още по-странно е, че лявата ръкавица не завива наляво, докато не намерите правилната - в този момент и двамата поемат свойствата си.
Заплитането е тясно свързано с откритието на Стивън Хокинг от 1974 г., че черните дупки се изпаряват. Двойките виртуални частици от материята и антиматерията постоянно се появяват в пространството. Хокинг осъзна, че ако една частица попадне в черна дупка, а друга избяга от нея, тогава дупката ще излъчва радиация. След достатъчно време дупката ще изчезне, което поставя въпроса за изчезването на информация с нея.
Но законите на квантовия свят забраняват унищожаването на информация. Затова възниква въпросът - ще бъде ли криптирана информацията, хваната в черната дупка, или наистина ще изчезне? Споровете по този въпрос доведоха до т.нар. „Войни на черни дупки“.
В крайна сметка Саскинд разбра, че цялата информация, която попада в дупката, е хваната в нейния двуизмерен хоризонт на събитията. И всичко се съхранява в него, като триизмерно изображение в холограма. Сякаш битовете информация, необходими за пресъздаването на вашия дом и цялото му съдържание, биха могли да се поберат на стените. Информацията не се губи - тя е криптирана и се съхранява извън обсега.
Продължавайки работата си върху идеята, Саскинд и Малдацен започнаха да използват холографския принцип не само за да разберат черните дупки, но и всяко парче пространство, което може да се опише от неговите граници. През последните десет години безумната идея, че космосът е холограма, се е превърнала в нещо обичайно, инструмент на физиците, използвани навсякъде, от космологията до свръхплътната материя. „Едно от онези неща, които се случват с научните идеи е, че те преминават от щура идея към добра идея и след това се превръщат в работещ инструмент“, казва Саскинд. Това вече се е превърнало в рутина “.
Леонард Саскинд
Холографският принцип беше свързан с това, което се случва на границите на обектите, включително хоризонта на събитията на черна дупка. Остава въпросът - какво става вътре. Тъй като никоя информация не може да напусне вътрешността на хоризонта на събитията, законите на физиката забраняват директното тестване на вътрешността на черна дупка.
Тогава през 2012 г. физиците Алмейри, Моролф, Полчински и Сали - всички от Санта Барбара - стигнаха до толкова странно заключение, че човек може да се каже - изчакайте малко. Не знаем нищо.
Т. N. работата на AMPS (според инициалите на авторите) казва, че черните дупки може да не са въвлечени изобщо, тъй като "огнената стена" на хоризонта на събитията ще унищожи всичко, което се опитва да разкрие техните тайни.
Измерване на пожарната стена
Същността на работата е следната: ако хоризонтът на събитията на черна дупка е гладко и обикновено място, както е предвидено от ТО (авторите наричат това условие „без драма“), частиците, излъчвани от черната дупка, трябва да бъдат заплетени с частиците, попадащи в дупката. Но за да не се загуби информация, частиците, излъчвани от дупката, трябва също да бъдат заплетени с тези, които отдавна са напуснали дупката и сега са разпръснати някъде из радиацията на Хокинг. Така че имаме твърде много заплитания.
Заплитането не може да съществува между три частици едновременно - само за всяка двойка частици. „Многоженството“е невъзможно в квантовия свят, което означава, че гладкото и разширено пространство-време не може да съществува в „гърлото“на черна дупка. Разграждането на заплитането на хоризонта означава, че има определена граница на пространството - стена на огъня.
Стивън Шенкер, физик от Станфорд, нарече работата на AMPS "спусък". Физиците обичат тези парадокси - те са плодородна почва за откриване.
Саскинд и Малдасен веднага скочиха на идеята. Те работеха върху своите заплитания и червейни вдъхновения, вдъхновени от работата на Марк Ван Раамсдонк, физик в Университета на Британска Колумбия във Ванкувър. Той извърши важен мисловен експеримент, предполагащ, че заплитането и пространството-време са силно свързани.
„Един ден - казва Саскинд, - Хуан ми изпрати криптично съобщение, съдържащо уравнението ER = EPR. Веднага разбрах какво има предвид и започнахме да обсъждаме идеята “.
Те представиха своите мисли в студените хоризонти на заплетени черни дупки за 2013 г., описвайки оплитането, което авторите на AMPS пренебрегват - този, който свързва пространството заедно. AMPS прие, че частите пространство вътре и извън хоризонта на събитията са независими. Но Саскинд и Малдацен смятат, че частиците от двете страни на границата могат да бъдат свързани чрез червейна дупка и това би могло да разреши парадокса. Картината от произведението шеговито се нарича от някои „октоподи“- много червейни дупки отиват от вътрешната страна на черната дупка до радиацията на Хокинг отвън.
С други думи, няма нужда да измисляте заплитане, което създава странности на гладката повърхност на отвора за черни дупки. Частиците вътре в него ще бъдат пряко свързани с частиците отвън, които отдавна са отлетели. Няма нужда да прекосявате хоризонта. Вътрешните и външните частици са едно цяло, обяснява Малдацен. Октоподът комбинира вътрешностите на черна дупка с частици от радиационния облак на Хокинг.
Дупки в дупка
Все още не е сигурно, че ER = EPR ще реши проблема с защитната стена. Джон Прескил, физик от Калифорнийския технологичен институт, припомня, че понякога физиците разчитат на носовете си, за да издушат обещаващи теории. И при първия „аромат“теорията на ER = EPR „може да мирише свежо и приятно, но все пак трябва да узрее на рафта“.
Въпреки това, Шенкер твърди, че съответствието между заплитането на частиците и геометрията на гладко извити пространствено време е голяма работа. Това позволи на него и на неговия колега от Института за усъвършенствано изследване (Institute for Advanced Study) да работи със сложни проблеми на квантовия хаос по такъв начин, че както казва Шенкер, „тази проста геометрия беше ясна дори за мен“.
ER = EPR не описва никоя част от всяко пространство или заплитане. Той се вписва в специално заплитане и специални дупки. Моролф, който наскоро публикува документ, описващ дупки с повече от два края, смята, че физиците са запознати с тези ограничения. ER = EPR работи в специални случаи, но AMPS твърди, че защитната стена е много по-широка задача.
Моролф и други се притесняват, че ER = EPR ще промени стандартната квантова механика. „Има чувството, че само Лени и Хуан разбират това нещо“, казва Моролф. Но, така или иначе, ние работим в интересно време за наука “.