В декабре прошлого года Нобелевская премия по физике была присуждена за экспериментальное подтверждение квантового явления, известного уже более 80 лет: запутанности. Как было предсказано Альбертом Эйнштейном и его сотрудниками в 1935 году, квантовые объекты могут таинственным образом коррелировать, даже если они разделены большими расстояниями. Но каким бы странным ни казалось это явление, почему такая старая идея до сих пор стоит самой престижной премии в области физики?
По совпадению, всего за несколько недель до чествования новых нобелевских лауреатов в Стокгольме другая группа выдающихся ученых из Гарварда, Массачусетского технологического института, Калтеха, Фермилаба и Google сообщила, что они запустили на квантовом компьютере Google процесс, который можно интерпретировать как червоточину. Червоточины - это туннели во Вселенной, которые могут работать как кратчайший путь через пространство и время и любимы поклонниками научной фантастики, и хотя туннель, реализованный в этом недавнем эксперименте, существует только в двумерной игрушечной Вселенной, он может стать прорывом для будущих исследований на переднем крае физики.
Но почему запутанность связана с пространством и временем? И как она может быть важна для будущих прорывов в физике? При правильном понимании запутанность подразумевает, что Вселенная "монистична", как это называют философы, что на самом фундаментальном уровне все во Вселенной является частью единого целого. Определяющим свойством квантовой механики является то, что лежащая в ее основе реальность описывается в терминах волн, а монистическая вселенная требует универсальной функции. Уже несколько десятилетий назад такие исследователи, как Хью Эверетт и Дитер Цех, показали, как наша повседневная реальность может возникнуть из такого универсального квантово-механического описания. Но только сейчас такие исследователи, как Леонард Сасскинд или Шон Кэрролл, разрабатывают идеи о том, как эта скрытая квантовая реальность может объяснить не только материю, но и ткань пространства и времени.
Запутанность - это гораздо больше, чем просто еще одно странное квантовое явление. Это принцип действия, лежащий в основе того, почему квантовая механика объединяет мир в единое целое и почему мы воспринимаем это фундаментальное единство как множество отдельных объектов. В то же время, запутанность - это причина, по которой мы, кажется, живем в классической реальности. Это - в буквальном смысле - клей и создатель миров. Запутанность относится к объектам, состоящим из двух или более компонентов, и описывает то, что происходит, когда квантовый принцип "все, что может произойти, происходит на самом деле" применяется к таким составным объектам. Соответственно, запутанное состояние - это суперпозиция всех возможных комбинаций, в которых могут находиться компоненты составного объекта, чтобы получить один и тот же общий результат. И снова волнистая природа квантовой области может помочь проиллюстрировать, как на самом деле работает запутанность.
Представьте себе совершенно спокойное, гладкое море в безветренный день. А теперь спросите себя, как можно получить такую плоскость путем наложения двух отдельных волновых картин? Одна из возможностей заключается в том, что наложение двух абсолютно плоских поверхностей снова приводит к абсолютно ровному результату. Но есть и другая возможность получить плоскую поверхность, если наложить друг на друга два одинаковых волновых паттерна, сдвинутых на половину цикла колебаний, так, чтобы гребни волн одного паттерна аннигилирова*ли впадины другого, и наоборот. Если бы мы просто наблюдали за стеклянным океаном, считая его результатом слияния двух волн, у нас не было бы никакой возможности узнать о характере отдельных волн. То, что звучит совершенно обыденно, когда мы говорим о волнах, имеет самые причудливые последствия, когда применяется к конкурирующим реальностям. Если бы соседка сказала вам, что у нее две кошки, одна живая и одна мертвая, это означало бы, что либо первая, либо вторая кошка мертва, а оставшаяся, соответственно, жива - это был бы странный и нездоровый способ описания своих домашних животных, и вы, возможно, не знали бы, кто из них счастливчик, но вы бы поняли, к чему клонит соседка. Не так в квантовом мире. В квантовой механике то же самое утверждение подразумевает, что две кошки слиты в суперпозиции случаев, включая ситуацию, когда первая кошка жива, а вторая мертва, когда первая кошка мертва, а вторая жива, но также возможны варианты, когда обе кошки наполовину живы и наполовину мертвы, или когда первая кошка жива на треть, а вторая добавляет недостающие две трети жизни. В квантовой паре кошек судьбы и состояния отдельных животных полностью растворяются в состоянии целого. Точно так же в квантовой вселенной не существует отдельных объектов. Все существующее сливается в единое "Одно".
Квантовая запутанность открывает перед нами обширную и совершенно новую территорию для исследования. Она определяет новый фундамент науки и переворачивает наши поиски теории всего с ног на голову - мы должны строить на квантовой космологии, а не на физике частиц или теории струн. Но насколько реально для физиков реализовать такой подход? Удивительно, но это не просто реально - они уже делают это. Исследователи, находящиеся на переднем крае квантовой гравитации, начали переосмысливать пространство-время как следствие запутанности. Все большее число ученых основывают свои исследования на нерасчлененности Вселенной. Возлагаются большие надежды на то, что, следуя этому подходу, они, наконец, смогут понять, чем на самом деле являются пространство и время, лежащие глубоко в основе.
Независимо от того, сшивается ли пространство с помощью запутывания, описывается ли физика абстрактными объектами вне пространства и времени или пространством возможностей, представленным универсальной волновой функцией Эверетта, или все во Вселенной восходит к единому квантовому объекту - все эти идеи имеют отчетливый монистический привкус. В настоящее время трудно судить о том, какие из этих идей будут определять будущее физики, а какие со временем исчезнут. Интересно то, что хотя первоначально идеи часто развивались в контексте теории струн, они, похоже, переросли теорию струн, и струны больше не играют никакой роли в последних исследованиях. Общей чертой теперь кажется то, что пространство и время больше не считаются фундаментальными. Современная физика не начинает с пространства и времени, чтобы продолжить с вещами, помещенными в этот предсуществующий фон. Вместо этого сами пространство и время считаются продуктами более фундаментальной проективной реальности. Натан Зайберг, ведущий теоретик струн в Институте перспективных исследований в Принстоне, не одинок в своих чувствах, когда он заявляет: "Я почти уверен, что пространство и время - это иллюзии. Это примитивные понятия, которые будут заменены чем-то более сложным". Более того, в большинстве сценариев, предлагающих эмерджентное пространство-время, спутанность играет основополагающую роль. Как отмечает философ науки Расмус Яксланд, это в конечном итоге означает, что во Вселенной больше нет отдельных объектов; что все связано со всем остальным: "Принятие запутанности как мирообразующего отношения дается ценой отказа от делимости. Но те, кто готов сделать этот шаг, возможно, должны обратиться к запутанности как к фундаментальному отношению, с помощью которого можно создать этот мир (и, возможно, все другие возможные миры)".
Напротив, с точки зрения квантового монизма, такие умопомрачительные последствия квантовой гравитации не за горами. Уже в общей теории относительности Эйнштейна пространство больше не является статической стадией; скорее оно определяется массой и энергией материи. Подобно взглядам немецкого философа Готфрида В. Лейбница, она описывает относительный порядок вещей. Если теперь, согласно квантовому монизму, остается только одна вещь, то не остается ничего, что можно было бы упорядочить или упорядочить, и, в конечном счете, больше нет необходимости в концепции пространства на этом самом фундаментальном уровне описания. Это "Единое", единая квантовая вселенная, которая порождает пространство, время и материю.
"GR=QM", - смело утверждал Леонард Сасскинд в открытом письме исследователям квантовой информации: общая теория относительности - это не что иное, как квантовая механика - теория столетней давности, которая чрезвычайно успешно применялась к самым разным вещам, но так и не была полностью понята. Как отметил Шон Кэрролл, "возможно, квантование гравитации было ошибкой, а пространство-время все это время таилось в квантовой механике". В будущем, "вместо того чтобы квантовать гравитацию, возможно, нам следует попытаться гравитировать квантовую механику". Или, более точно, но менее выразительно, "найти гравитацию внутри квантовой механики", - предлагает Кэрролл в своем блоге. Действительно, кажется, что если бы к квантовой механике с самого начала относились серьезно, если бы ее понимали как теорию, действие которой происходит не в пространстве и времени, а внутри более фундаментальной проективной реальности, то многих тупиков в исследовании квантовой гравитации можно было бы избежать. Если бы мы приняли монистические следствия квантовой механики - наследие трехтысячелетней философии, которая была принята в античности, преследовалась в средние века, возродилась в эпоху Возрождения и была испорчена в романтизме - как только Эверетт и Зее указали на них, а не придерживались прагматической интерпретации влиятельного квантового пионера Нильса Бора, который свел квантовую механику к инструменту, мы были бы еще дальше на пути к демистификации основ реальности.
