Денвер — Ученые разработали новый, несказанно опасный и невероятно медленный метод перемещения во вселенной. Он включает в себя кротовые норы, связывающие между собой особые черные дыры, которых, вероятно, не существует. И он может объяснить, что на самом деле происходит, когда физики осуществляют квантовую телепортацию информации из одной точки в другую, с точки зрения телепортируемого бита информации.
Физик из Гарвардского университета Дэниел Джэфферис (Daniel Jafferis), рассказал о предлагаемом методе в своем выступлении 13 апреля на заседании Американского физического общества. Этот метод, сказал он собравшимся коллегам, включает в себя две черные дыры, которые запутаны таким образом, что оказываются связанными в пространстве и во времени.
Что такое кротовая нора?
Их идея позволяет решить давно существующую проблему: когда что-то входит в кротовую нору, то для выхода с другой стороны требуется отрицательная энергия (в обычных обстоятельствах форма пространства-времени на выходе из кротовой норы делает прохождение через нее невозможным). Материя с отрицательной плотностью энергии теоретически может преодолеть это препятствие. Но в физике гравитации и пространства-времени (физике, описывающей кротовые норы) возможность такого рода импульсов отрицательной энергии не предусмотрена. Таким образом, пройти через кротовые норы невозможно.
«Кротовая нора — всего лишь туннель в пространстве, но если попытаться через нее пройти, она слишком быстро схлопывается, поэтому пройти через нее невозможно», — сказал Джэффрис в интервью изданию «Лайв Сайенс» (Live Science) после своего выступления.
Эта старая модель кротовой норы описана в статье Альберта Эйнштейна (Albert Einstein) и Натана Розена (Nathan Rosen), опубликованной в 1935 году в журнале «Физикал Ревью» (Physical Review). Оба физика понимали, что при определенных обстоятельствах, согласно теории относительности, пространственно-временной континуум настолько искривляется, что образуется своего рода туннель (или «мост»), соединяющий две отдельные точки.
Они написали эту статью отчасти для того, чтобы исключить возможность существования во Вселенной черных дыр. Но в последующие десятилетия, когда физики пришли к пониманию того, что черные дыры все-таки существуют, стандартное изображение кротовой норы приняло форму туннеля, в котором два отверстия выглядят как черные дыры. Однако, согласно этой идее, такой туннель, вероятно, никогда сам по себе не существовал бы во Вселенной, и если бы он на самом деле существовал, то исчез бы еще до того, как через него что-нибудь прошло. В 1980-х годы физик Кип Торн (Kip Thorne) писал, что через эту кротовую нору может что-то пройти, если приложить какую-то отрицательную энергию, чтобы предотвратить ее схлопывание.
Квантовая запутанность
Джэфферис вместе с физиком из Гарвардского университета Пинь Гао (Ping Gao) и физиком из Стэнфордского университета Ароном Уоллом (Aron Wall) разработали способ применения версии отрицательной энергии, которая основана на идее из совершенно другой области физики, называемой «запутанностью».
Понятие «запутанность» позаимствовано не из теории относительности, а из квантовой механики. Еще в 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали в «Физикал Ревью» еще одну статью, в которой показали, что по правилам квантовой механики частицы могут «коррелировать» друг с другом, так что поведение одной частицы непосредственно влияет на поведение другой.
Эйнштейн, Подольский и Розен полагали, что это доказывает неправильность их представлений о квантовой механике, поскольку позволяет информации перемещаться между двумя частицами быстрее скорости света. Теперь физики знают, что запутанность реальна, а квантовая телепортация является практически рутинной частью физических исследований.
Квантовая телепортация осуществляется следующим образом: запутайте две световые частицы, А и В. затем дайте B вашему другу, чтобы он отнес ее в другую комнату. Затем ударьте третьим фотоном, С, по фотону А. Это запутывает А и С и разрывает запутанность между А и В. Затем вы можете измерить комбинированное состояние А и С (которое отличается от исходных состояний А, В или С) и сообщить результаты комбинированных частиц вашему другу в следующей комнате.
Не зная состояния В, ваш друг может затем использовать эту ограниченную информацию для управлением частицей В, чтобы получить состояние, которое частица С имела в начале процесса. Если он измерит B, он узнает исходное состояние C без посторонней помощи. Информация о частице С функционально телепортируется из одной комнаты в другую.
Она эффективна, поскольку может действовать в качестве своего рода кода для отправки сообщений из одной точки в другую. И запутанность — это не просто свойство отдельных частиц. Более крупные объекты также могут запутываться, хотя совершенная запутанность между ними происходит намного сложнее.
В 1935 году физики, писавшие эти статьи, не подозревали, что кротовые норы и запутанность связаны, сказал Джэффрис. Но в 2013 году физики Хуан Мальдасена (Juan Maldacena) и Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) опубликовали статью в журнале «Прогресс ин Физикс» (Progress in Physics), в которой связали эти две идеи. Они утверждали, что две идеально запутанные черные дыры будут действовать как кротовая нора между их двумя точками в пространстве. Они назвали эту концепцию «ЭР-ЭПР» («ER=EPR»), поскольку она объединяла статью Эйнштейна-Розена со статьей Эйнштейна-Подольского-Розена.
На вопрос о том, действительно ли во Вселенной существуют две полностью запутанные черные дыры, Джэффрис ответил: «Нет, разумеется, нет».
Дело не в том, что это физически невозможно. Такая ситуация не может возникнуть в нашей беспорядочной Вселенной, поскольку она слишком однозначна и масштабна. Возникновение двух абсолютно запутанных черных дыр было бы похоже на выигрыш в лотерею, только вероятность этого была бы в миллиарды миллиардов раз меньше. А если бы они и существовали, сказал он, то утратили бы свою совершенную взаимосвязь в тот момент, когда какой-нибудь третий объект вступил во взаимодействие с одним из них.
Но если бы каким-то образом такая пара черных дыр существовала (как-то и где-то) тогда метод Джэффри, Гао и Уолла мог бы сработать.
Их концепция, впервые опубликованная в декабре 2017 года в «Журнале физики высоких энергий» (The Journal of High Energy Physics), выглядит следующим образом: забросьте своего друга в одну из запутанных черных дыр. Затем измерьте так называемое излучение Хокинга, исходящее из черной дыры, в котором закодировано некоторая информация о состоянии этой черной дыры. Затем перенесите эту информацию во вторую черную дыру и используйте ее для управления второй черной дырой (это может быть так же просто, как направить пучок излучения Хокинга из первой черной дыры во вторую). Теоретически, ваш друг должен выскочить из второй черной дыры точно так же, как он вошел в первую.
По мнению Джэффериса, ваш друг нырнул бы в кротовую нору. И когда он приблизился бы к сингулярности в узкой ее части, он почувствовал бы «толчок» отрицательной энергии, которая вытолкнула бы его с другой стороны.
Этот метод не особенно эффективен, сказал Джафферис, поскольку он всегда действовал бы медленнее, чем просто физическое перемещение на расстоянии между двумя черными дырами. Но он все равно позволяет понять Вселенную.
Что касается бита информации, передаваемого между запутанными частицами, сказал Джэфферис, здесь может происходить нечто подобное. В масштабе отдельных квантовых объектов, сказал он, нет смысла говорить об искривлении пространства-времени, образующем кротовую нору. Но для осуществления несколько более сложной квантовой телепортации стоит добавить еще несколько частиц, и внезапно модель кротовой норы обретает смысл. По его словам, в этом случае есть веские доказательства того, что эти два явления связаны.
Кроме того, сказал он, это наводит на мысль о том, что информация, пропавшая в черной дыре, может когда-нибудь попасть туда, где ее можно будет найти.
Если завтра вы упадете в черную дыру, сказал он, ситуация не будет безнадежной. Достаточно развитая цивилизация смогла бы перемещаться по вселенной, собирая все излучение Хокинга, испускаемое черной дырой по мере ее постепенного исчезновения в вечности и сжимая это излучение в новую черную дыру, запутанную во времени с первоначальной дырой. Как только эта новая черная дыра появится, возможно, и удастся вытащить вас из нее.
По словам Джэффериса, теоретические исследования этого метода перемещения между черными дырами продолжаются. Но целью этих исследований является не столько вызволение из черных дыр, сколько понимание фундаментальной физики. Так что, наверное, лучше не рисковать.