Геймеры и ученые провели самую массовую проверку квантовой физики. Новости квантовой механики
Физики нашли способ увидеть «улыбку» квантовой гравитации
В 1935 году, когда квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна были очень молоды, не шибко известный советский физик Матвей Бронштейн, будучи в возрасте 28 лет, сделал первое подробное исследование на тему согласования этих двух теорий в квантовой теории гравитации. Эта, «возможно, теория всего мира в целом», как писал Бронштейн, могла бы вытеснить классическое эйнштейново описание гравитации, в котором она видится кривыми в пространственно-временном континууме, и переписать его квантовым языком, как и всю остальную физику.
Бронштейн выяснил, как описать гравитацию в терминах квантованных частиц, теперь называемых гравитонами, но только когда сила гравитации слаба — то есть (в общей теории относительности) когда пространство-время настолько слабо изогнуто, что будет практически плоским. Когда гравитация сильная, «ситуация совершенно другая», писал ученый. «Без глубокого пересмотра классических понятий, кажется практически невозможным представить квантовую теорию гравитации и в этой области».
Его слова были пророческими. Восемьдесят три года спустя, физики все еще пытаются понять, как пространственно-временная кривизна проявляется в макроскопических масштабах, вытекая из более фундаментальной и предположительно квантовой картины гравитации; возможно, это самый глубокий вопрос в физике. Возможно, если бы был шанс, светлая голова Бронштейна ускорила бы процесс этого поиска. Помимо квантовой гравитации, он также сделал вклад в астрофизику и космологию, теорию полупроводников, квантовую электродинамику и написал несколько книжек для детей. В 1938 году он попал под сталинские репрессии и был казнен в возрасте 31 года.
Поиск полной теории квантовой гравитации осложняется тем, что квантовые свойства гравитации никогда не проявляются в реальном опыте. Физики не видят, как нарушается эйнштейново описание гладкого пространственно-временного континуума, либо бронштейново квантовое приближение его в слабо искривленном состоянии.
Проблема заключается в крайней слабости гравитационной силы. В то время как квантованные частицы, передающие сильные, слабые и электромагнитные силы, настолько сильны, что плотно связывают материю в атомы и могут быть исследованы буквально под лупой, гравитоны по отдельности настолько слабые, что у лабораторий нет никаких шансов их обнаружить. Чтобы поймать гравитон с высокой долей вероятности, детектор частиц должен быть настолько большим и массивным, что коллапсирует в черную дыру. Эта слабость объясняет, почему нужны астрономические накопления масс, чтобы оказывать влияние на другие массивные тела посредством гравитации, и почему мы видим гравитационные эффекты на огромных масштабах.
Это не все. Вселенная, по-видимому, подвергается какой-то космической цензуре: области с сильной гравитацией — где пространственно-временные кривые настолько острые, что уравнения Эйнштейна дают сбой, и должна раскрываться квантовая природа гравитации и пространства-времени — всегда прячутся за горизонтами черных дыр.
«Даже несколько лет назад был общий консенсус, что, вероятнее всего, измерить квантование гравитационного поля каким-либо образом невозможно», говорит Игорь Пиковский, физик-теоретик Гарвардского университета.
И вот несколько недавно опубликованных в Physical Review Letters статей изменили положение дел. В этих работах делается заявление, что добраться до квантовой гравитации может быть возможно — даже ничего не зная о ней. Работы, написанные Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона и Кьярой Марлетто и Влатко Ведралом из Оксфордского университета, предлагают технически сложный, но осуществимый эксперимент, который мог бы подтвердить, что гравитация это квантовая сила, как и все остальные, не требуя обнаружения гравитона. Майлз Бленкоу, квантовый физик из Дартмутского колледжа, не принимавший участия в этой работе, говорит, что такой эксперимент мог бы обнаружить четкий след невидимой квантовой гравитации — «улыбку Чеширского Кота».
Предложенный эксперимент определит, могут ли два объекта — группа Бозе планирует использовать пару микроалмазов — стать квантово-механически запутанными между собой в процессе взаимного гравитационного притяжения. Запутанность — это квантовое явление, в котором частицы становятся неразделимо переплетенными, разделяя единое физическое описание, которое определяет их возможные совмещенные состояния. (Сосуществование различных возможных состояний называется «суперпозицией» и определяет квантовую систему). Например, пара запутанных частиц может существовать в суперпозиции, при которой частица А будет с 50-процентной вероятностью вращаться (spin) снизу вверх, а Б — сверху вниз, и с 50-процентной вероятностью наоборот. Никто не знает заранее, какой результат вы получите при измерении направления спина частиц, но вы можете быть уверены в том, что он у них будет одинаков.
Авторы утверждают, что два объекта в предлагаемом эксперименте могут запутаться таким образом лишь в том случае, если сила, действующая между ними, — в данном случае гравитация — будет квантовым взаимодействием, опосредованным гравитонами, которые могут поддерживать квантовые суперпозиции. «Если будет проведен эксперимент и будет получена запутанность, согласно работе, можно сделать вывод, что гравитация квантуется», пояснил Бленкоу.
Запутать алмаз
Квантовая гравитация настолько незаметна, что некоторые ученые усомнились в ее существовании. Известный математик и физик Фримен Дайсон, которому 94 года, с 2001 года утверждает, что вселенная может поддерживать своего рода “дуалистическое” описание, в котором «гравитационное поле, описанное общей теорией относительности Эйнштейна, будет сугубо классическим полем без какого-либо квантового поведения», при этом все вещество в этом гладком пространственно-временном континууме будет квантоваться частицами, которые подчиняются правилам вероятности.
Дайсон, который помогал разрабатывать квантовую электродинамику (теорию взаимодействий между материей и светом) и является почетным профессором Института передовых исследований в Принстоне, Нью-Джерси, не считает, что квантовая гравитация необходима для описания недостижимых недр черных дыр. И он также считает, что обнаружение гипотетического гравитона может быть невозможным в принципе. В таком случае, говорит он, квантовая гравитация будет метафизической, а не физической.
Он не единственный скептик. Известный английский физик сэр Роджер Пенроуз и венгерский ученый Ладжос Диоси независимо предполагали, что пространство-время не может поддерживать суперпозиции. Они считают, что его гладкая, твердая, фундаментально классическая природа препятствует искривлению на два возможных пути одновременно — и именно эта жесткость приводит к коллапсу суперпозиций квантовых систем вроде электронов и фотонов. “Гравитационная декогеренция”, по их мнению, позволяет случиться единой, твердой, классической реальности, которую можно ощущать в макроскопических масштабах.
Возможность найти “улыбку” квантовой гравитации, казалось бы, опровергает аргумент Дайсона. Также она убивает теорию гравитационной декогеренции, показывая, что гравитация и пространство-время действительно поддерживают квантовые суперпозиции.
Предложения Бозе и Марлетто появились одновременно и абсолютно случайно, хотя эксперты отмечают, что они отражают дух времени. Экспериментальные лаборатории квантовой физики по всему миру ставят все более крупные микроскопические объекты в квантовые суперпозиции и оптимизируют протоколы испытаний запутанности двух квантовых систем. Предложенный эксперимент должен будет объединить эти процедуры, требуя при этом дальнейшего улучшения масштаба и чувствительности; возможно, на это уйдет лет десять. «Но физического тупика нет», говорит Пиковский, который также исследует, как лабораторные эксперименты могли бы зондировать гравитационные явления. «Думаю, это сложно, но не невозможно».
Этот план более подробно изложен в работе Бозе и соавторов — одиннадцать экспертов Оушена для разных этапов предложения. Например, в своей лаборатории в Университете Уорика один из соавторов Гэвин Морли работает над первым этапом, пытаясь поместить микроалмаз в квантовую суперпозицию в двух местах. Для этого он заключит атом азота в микроалмазе, рядом с вакансией в структуре алмаза (так называемый NV-центр, или азото-замещенная вакансия в алмазе), и зарядит его микроволновым импульсом. Электрон, вращающийся вокруг NV-центра, одновременно и поглощает свет, и нет, а система переходит в квантовую суперпозицию двух направлений спина — вверх и вниз — подобно волчку, который с определенной вероятностью вращается по часовой стрелке и с определенной — против. Микроалмаз, загруженный этим спином суперпозиции, подвергается воздействию магнитного поля, которое заставляет верхний спин двигаться влево, а нижний — вправо. Сам алмаз расщепляется на суперпозицию двух траекторий.
В полном эксперименте ученые должны сделать все это с двумя алмазами — красным и синим, допустим — расположенными рядом в сверххолодном вакууме. Когда ловушка, удерживающая их, отключится, два микроалмаза, каждый в суперпозиции двух положений, будут падать вертикально в вакууме. По мере падения алмазы будут ощущать гравитацию каждого из них. Насколько сильным будет их гравитационное притяжение?
Если гравитация является квантовым взаимодействием, ответ таков: в зависимости от чего. Каждый компонент суперпозиции синего алмаза будет испытывать более сильное или более слабое притяжение к красному алмазу, в зависимости от того, находится ли последний в ветви суперпозиции, которая ближе или дальше. И гравитация, которую будет ощущать каждый компонент суперпозиции красного алмаза, точно так же зависит от состояния синего алмаза.
В каждом из случаев различные степени гравитационного притяжения воздействуют на эволюционирующие компоненты суперпозиций алмазов. Два алмаза становятся взаимозависимыми, потому что их состояния можно будет определить только в сочетании — если это, значит то — поэтому, в конечном итоге, направления спинов двух систем NV-центров будут коррелировать.
После того как микроалмазы будут падать бок о бок в течение трех секунд, — этого достаточно, чтобы запутаться в гравитациях, — они пройдут через другое магнитное поле, которое снова совместит ветви каждой суперпозиции. Последний шаг эксперимента — протокол «запутанного знания» (entanglement witness), разработанный датским физиком Барбарой Терал и другими: синий и красный алмазы входят в разные устройства, которые измеряют направления спина систем NV-центров. (Измерение приводит к коллапсу суперпозиций в определенные состояния). Затем два результата сопоставляются. Проводя эксперимент снова и снова и сравнивая множество пар измерений спина, ученые могут определить, действительно ли спины двух квантовых систем коррелировали между собой чаще, чем определяет верхний предел для объектов, которые не являются квантово-механически запутанными. Если так, гравитация действительно запутывает алмазы и может поддерживать суперпозиции.
«Что интересно в этом эксперименте, так это то, что вам не нужно знать, что такое квантовая теория», говорит Бленкоу. «Все, что нужно, это утверждать, что есть некий квантовый аспект в этой области, который опосредован силой между двумя частицами».
Технических трудностей — масса. Самый большой объект, который помещали в суперпозицию в двух местах до этого, представлял собой 800-атомную молекулу. Каждый микроалмаз содержит более 100 миллиардов атомов углерода — этого достаточно, чтобы накопить ощутимую гравитационную силу. Распаковка его квантово-механического характера потребует низких температур, глубокого вакуума и точного контроля. «Очень много работы состоит в настройке изначальной суперпозиции и запуске», говорит Питер Баркер, член экспериментальной команды, которая усовершенствует методы лазерного охлаждения и поимки микроалмазов. Если бы это можно было сделать с одним алмазом, добавляет Бозе, «второй не составит проблемы».
В чем уникальность гравитации?
Исследователи квантовой гравитации не сомневаются в том, что гравитация — это квантовое взаимодействие, способное вызывать запутанность. Конечно, гравитация в чем-то уникальна, и еще многое предстоит узнать о происхождении пространства и времени, но квантовая механика точно должна быть вовлечена, говорят ученые. «Ну правда, какой смысл в теории, в которой большая часть физики квантовая, а гравитация классическая», говорит Дэниел Харлоу, исследователь квантовой гравитации в MIT. Теоретические аргументы против смешанных квантово-классических моделей очень сильные (хотя и не неоспоримые).
С другой стороны, теоретики ошибались и прежде. «Если можно проверить, почему нет? Если это заткнет этих людей, которые ставят под вопрос квантовость гравитации, будет здорово», считает Харлоу.
Прочитав работы, Дайсон написал: «Предлагаемый эксперимент безусловно представляет большой интерес и требует проведения в условиях настоящей квантовой системы». Однако он отмечает, что направление мысли авторов о квантовых полях отличаются от его. «Мне непонятно, сможет ли этот эксперимент разрешить вопрос существования квантовой гравитации. Вопрос, который я задавал — наблюдаем ли отдельный гравитон — это другой вопрос, и он может иметь другой ответ».
Направление мысли Бозе, Марлетто и их коллег о квантованной гравитации проистекает из работ Бронштейна еще в 1935 году. (Дайсон назвал работу Бронштейна «прекрасной работой», которую он не видел прежде). В частности, Бронштейн показал, что слабая гравитация, рождаемая малой массой, может быть аппроксимирована законом тяготения Ньютона. (Это сила, которая действует между суперпозициями микроалмазов). По мнению Бленкоу, расчеты слабой квантованной гравитации особо не проводились, хотя безусловно являются более релевантными, чем физика черных дыр или Большого Взрыва. Он надеется, что новое экспериментальное предложение побудит теоретиков на поиск тонких уточнений к ньютоновскому приближению, которое будущие настольные эксперименты могли бы попробовать проверить.
Леонард Сасскинд, известный теоретик квантовой гравитации и струн в Стэнфордском университете, увидел ценность предлагаемого эксперимента, потому что «он обеспечивает наблюдения гравитации в новом диапазоне масс и расстояний». Но он и другие исследователи подчеркнули, что микроалмазы не могут выявить ничего о полной теории квантовой гравитации или пространства-времени. Он и его коллеги хотели бы понять, что происходит в центре черной дыры и в момент Большого Взрыва.
Возможно, одна из подсказок к тому, почему квантовать гравитацию настолько тяжелее, чем все остальное, лежит в том, что другие силы природы обладают так называемой “локальностью”: квантовые частицы в одной области поля (фотоны в электромагнитном поле, например) «независимы от других физических сущностей в другой области пространства», говорит Марк ван Раамсдонк, теоретик квантовой гравитации из Университета Британской Колумбии. «Но есть много теоретических доказательств того, что гравитация работает не так».
В лучших песочных моделях квантовой гравитации (с упрощенными пространственно-временными геометриями) невозможно предположить, что ленточная пространственно-временная ткань делится на независимые трехмерные кусочки, говорит ван Раамсдонк. Вместо этого современная теория предполагает, что нижележащие, фундаментальные составляющие пространства «организованы скорее двумерно». Ткань пространства-времени может быть как голограмма или видеоигра. «Хотя картинка трехмерна, информация хранится на двумерном компьютерном чипе». В таком случае трехмерный мир будет иллюзей в том смысле, что различные его части не являются настолько независимыми. В аналогии с видеоигрой, несколько битов на двумерном чипе могут кодировать глобальные функции всей игровой вселенной.
И эта разница имеет значение, когда вы пытаетесь создать квантовую теорию гравитацию. Обычный подход к квантованию чего-либо заключается в определении его независимых частей — частиц, например, — и затем применении к ним квантовой механики. Но если вы не определяете правильные составляющие, вы получаете неправильные уравнения. Прямое квантование трехмерного пространства, которое хотел сделать Бронштейн, работает в некоторой мере со слабой гравитацией, но оказывается бесполезным, когда пространство-время сильно искривлено.
Некоторые эксперты говорят, что засвидетельствование “улыбки” квантовой гравитации может привести к мотивации подобного рода абстрактных рассуждений. В конце концов, даже самые громкие теоретические аргументы о существовании квантовой гравитации не подкрепляются экспериментальными фактами. Когда ван Раамсдонк объясняет свои исследования на коллоквиуме ученых, говорит он, обычно все начинается с рассказа о том, что гравитацию нужно переосмыслить с квантовой механикой, потому что классическое описание пространства-времени ломается на черных дырах и Большом Взрыве.
«Но если провести этот простой эксперимент и показать, что гравитационное поле было в суперпозиции, провал классического описания станет очевидным. Потому что будет эксперимент, который подразумевает, что гравитация — квантовая».
По материалам Quanta Magazine
hi-news.ru
Физики выяснили, почему квантовая механика не работает в макромире
Австрийские физики нашли возможное объяснение тому, почему законы квантовой механики практически не влияют на жизнь объектов крупнее атомов и заряженных частиц - оказалось, что им мешает феномен "замедления" времени, порождаемый силой гравитации.
МОСКВА, 15 июн – РИА Новости. Законы квантовой механики практически не влияют на жизнь объектов крупнее атомов и заряженных частиц по той причине, что их работе на более крупных масштабах мешает феномен "замедления" времени, порождаемый силой гравитации, выяснили австрийские физики, опубликовавшие статью в журнале Nature Physics.
В соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, время течет неоднородно в присутствии гравитационных полей. Чем сильнее поле, тем медленнее будет идти время, благодаря чему в окрестностях горизонта событий черных дыр его ход почти остановится. Существование этого феномена было экспериментально подтверждено несколько раз в последние 50 лет и физики не сомневаются в том, что гравитация действительно влияет на время.
Игорь Пиковский из университета Вены (Австрия) и его коллеги задались вопросом – влияет ли это "замедление" или "ускорение" времени на то, как работают законы квантовой механике на уровне микро- и макромира.
Ученых интересовало то, почему мы не можем наблюдать феномен квантовой запутанности – взаимосвязанности квантовых состояний двух или более объектов, при котором изменение состояния одного объекта мгновенно отражается на состоянии другого – в мире обыденных предметов.
Сегодня физики объясняют отсутствие подобных "странных связей", как выражался Эйнштейн, между двумя яблоками и прочими видимыми объектами тем, что они разрушаются в результате декогеренции — взаимодействия подобных запутанных объектов с атомами молекулами и прочими проявлениями окружающей среды и необратимого нарушения квантового состояния.
Таким образом, чем крупнее объект, тем больше он будет контактировать с окружающей средой, и тем быстрее будет распадаться квантовая связь.Как показали расчеты Пиковского и его коллег, для появления декогеренции совершенно не обязательно взаимодействие с другими объектами. Оказалось, что квантовые связи начинают нарушаться сами по себе даже при очень слабых гравитационных полях, аналогичных или даже меньших по силе, чем притяжение Земли.
Это происходит по той причине, что свойства всех элементов запутанных объектов в условиях гравитационного замедления времени начинают зависеть от того, где они находятся в текущий момент времени и расстояния между ними по отношению к центру масс.
Чем больше это расстояние, тем быстрее будет расти разница во времени между ними, и тем быстрее будет распадаться квантовая связь. Как подчеркивают Пиковский и его коллеги, избежать подобного распада невозможно, так как он обусловлен не взаимодействием с окружающей средой, а присутствием гравитационного поля и внутренними процессами в самих "спутанных" объектах.
Данный феномен, как объясняют физики, объясняет то, почему поведение большинства объектов видимого для нас мира можно описать при помощи простых законов классической физики, не учитывая возможное влияние квантовых факторов, которое, как оказывается, подавляется гравитацией и связанной с ней феноменами.
Чтобы не быть голословными, Пиковский и его коллеги изложили несколько потенциальных методов для экспериментальной проверки этой гипотезы и связанных с ней расчетов. По их словам, следы влияния "замедления" времени можно будет, в частности, заметить, наблюдая за группами из большого числа запутанных атомов в условиях практически идеальной их изоляции.
ria.ru
Когда будущее меняет прошлое. О парадоксе квантовой механики | Futurist
18 июня, 14:24
Один из самых странных аспектов квантовой механики можно объяснить не менее странной идеей: причинность может быть направлена как в прошлое, так и в будущее. «Жуткое дальнодействие», как называл его Эйнштейн, теоретически может доказывать ретропричинность — гипотетическое явление, при котором причина и следствие меняются местами, то есть, например, от съеденного завтра обеда у вас сегодня болит живот.
Двое физиков из США и Канады более подробно изучили основные положения квантовой теории и решили, что, если мы до сих пор не доказали однонаправленность времени, все совершаемые измерения могут проецироваться на прошлое, ровно как и на будущее. Отчасти, квантовая механика кажется нам такой странной из-за того факта, что частицы на самом деле взаимодействуют не как бильярдные шары, сталкивающиеся друг о друга и катающиеся по столу, а скорее как размытое облако возможностей, перемещающееся по комнате. И при измерении частиц необходимо фокусироваться именно на этом облаке, ведь мы можем увидеть только один белый мяч, забивающий черный в лузу, а не их бесконечное множество. Среди ученых нет единогласия насчет того, может ли это облако вариантов воплощать что-то реальное, или же это просто удобная модель.
В 2012 году физик по имени Хью Прайс заявил, что странные вероятности квантовых состояний отражают нечто реальное, и если ничто не ограничивает время в одном направлении, то черный шар вполне может выкатиться из лузы и ударить белый. «Критики возражают, что в классической физике есть полная временная симметрия, и все же нет видимой ретропричинности. Почему квантовый мир должен быть другим?» — пишет Прайс, говоря о мнении большей части научного сообщества на эту тему.
Мэтью С. Лейфер из Чепменского университета, Калифорния, и Мэтью Ф. Пузи из института теоретической физики Периметр, Онтарио, также задались вопросом, насколько время отличается в квантовом мире. Двое ученых использовали некоторые предположения Прайса и применили новую модель к теореме Белла, которая играет большую роль в «жутком дальнодействии». Джон Стюарт Бетт сказал, что странности квантовой механики нельзя объяснить примерами из повседневной жизни, ведь тогда можно сказать, что ничто не может заставить множество биллиардных шаров двигаться по разным направлениям. Вселенная, на фундаментальном уровне, случайна.
Но что, если действие происходит где-то еще, или когда-то еще? Может ли что-то, не соприкасаясь с этим облаком, повлиять на него? Если две частицы соединяются в какой-либо точке, измерение свойств одной тут же задают значение и второй — и не важно, из каких они частей Вселенной. Эту теорию множество раз проверяли с помощью теоремы Белла, чтобы точно исключить все спорные моменты, которые бы говорили в пользу связи частиц на местном уровне.
Но если причинность стремится назад, то это значит, что частица может нести данные о ее измерениях в прошлое. Это в корне меняет механизмы передачи данных! Такова гипотеза Лейфера и Пузи. «Есть небольшая группа физиков и философов, которые считают, что эту идею нужно развивать», — сказал Лейфер порталу Phys.org.
Исследователи разработали модель, основанную на теореме Белла: переформулировав несколько базовых предположений, они заменили пространство на время. Они считают, что если мы не сможем доказать однонаправленность времени, мы неизбежно столкнемся с некоторыми противоречиями. Однозначно, идея ретропричинности тут выступает на первое место.
«Насколько мне известно, не существует общепринятой интерпретации квантовой теории, которая охватывает ее всю и также учитывает идею ретропричинности. На сегодняшний день это скорее идея интерпретации, так что скептицизм научного сообщества вполне объясним, и на нас лежит ответственность за воплощение этой идеи».
К сожалению, такой вид путешествий назад во времени не позволит вернуться назад, исправить ошибки прошлого или снова пережить моменты радости. Ученые в будущем также не смогут кодировать номера лотерейных билетов в запутанные коды из электронов и отправлять их своим прошлым «я». В любом, случае, доказательство идеи существования чего-либо, что может возвращаться во времени, полностью изменит наше представление об окружающем мире.
Источник — Sciencealert
Понравилась статья?
Поделись с друзьями!
Поделиться 0 Поделиться 0 Твитнуть 0Подпишись на еженедельную рассылку
futurist.ru
Парадоксы квантовой механики не дают физикам спать
Квантовые физики так же поражаются квантовой механике, как и вы.
В недалеком 2011 году состоялась конференция «только по приглашениям» под названием «Квантовая физика и природа реальности» (QPNR), тщательный разбор которой есть на Gizmag.com. Многие видные физики, математики и философы от науки, основная деятельность которых — разбор и интерпретация квантовой механики — собрались, чтобы привести мысли науки в порядок. Вы наверняка знаете, что квантовая механика настолько парадоксальна, что порой наводит на мысли о существовании высшего разума. Любопытно то, что светила науки так и не сошлись во мнении относительно природы квантовой физики. Знаете, почему?
Квантовая механика (КМ), включая разделение на квантовую электродинамику и квантовую теорию поля, представляет собой самую удачную научную теорию, когда-либо созданную. Погрешности во время экспериментов едва ли составляют одну миллиардную долю. При всем это суть квантмеха уходит от понимания как песок сквозь пальцы — и это порождает парадоксы, взаимоисключающие параграфы и «жуткие действия». Проще говоря, хотя КМ работает на диво хорошо, как и почему она работает, никто не знает.
Многие физики проводят бессонные ночи, ломая голову над природой квантовой механики, поскольку появление физики квантовой информации сулит нам много благ (квантовую криптографию, квантовые компьютеры и прочие «тайные разработки»), но понимание этой самой природы квантовой механики остается непреодолимым барьером. Квантмех работает вне зависимости от интерпретация, но интуиция оказывается слишком слабой, когда нужно прояснить странные аспекты КМ. За последние тридцать лет ученые буквально поселились в палатках перед барьером, силясь понять и договориться о том, почему и как работает квантовая механика.
Что же прояснилось на конференции QPNR? И хотя мы намеренно опустим математические тонкости, вы обязательно получите ответы на некоторые волнующие вас вопросы. Все ученые на конференции были опрошены, в некоторых случаях можно было голосовать более одного раза, но чтобы не путать вас, мы упростили результаты. Равно как и вопросы.
Введение в квантовую механику
Первым вопросом, с которого мы начнем разбирать опрос QPNR, станет проблема квантового измерения. Это даст нам возможность пролить свет на некоторые основные понятия в КМ.
В квантовой механике волновая функция объекта описывает все измеримые свойства этого объекта. Это полное описание того, что называется квантовым состоянием объекта. Волновая функция описывается знаменитым уравнением Шрёдингера, который, по слухам, написал его во время отдыха с любовницами в ответ на брошенный ему вызов со стороны светил науки. Уравнение описывает поведение волновой функции в ответ на проявления внешней среды.
Математические детали сейчас не важны, за исключением одного: уравнение Шрёдингера линейно. Если вы сложите несколько разных решений в линейное уравнение, их сумма тоже будет решением. Это называется принципом суперпозиции и является не физическим результатом, а скорее свойством основной математической структуры в КМ. Суть в том, что существует класс волновых функций, который называется квантовыми суперпозициями, одновременно описывающие разные квантовые состояния объекта.
Давайте поставим объект в суперпозицию, измерим его и посмотрим, что получится согласно стандарту КМ. Возьмем два одинаковых мяча: красный и синий. Заставим их вращаться с двумя квантами (один квант обозначает половину единицы) углового момента (который мы называем спином). У красного мяча спин будет верхним, у синего — нижним. Квантовое состояние двух мячей до того, как они столкнутся, будет красный-верх + синий-низ. Если вы измерите спин двух мячей, вы обнаружите, что у красного мяча спин всегда +1, а у синего всегда -1, а значит сумма двух будет равна нулю. Это важно, поскольку суммарный спин системы является константой в КМ.
Теперь столкнем мячи. Если их поверхности обладают свойствами, похожими на те, которые нам известны, два мяча могут передать спин один другому. Самыми очевидными результатами будут такие: ничего не изменится (красный-верх + синий-низ, что мы обозначаем как [1 -1]; спин изменится (красный-низ + синий-верх, или [-1 1]; спин обнулится (красный-ноль + синий-ноль, или [0 0]. Поскольку может произойти любое из трех событий, до того, как мы измеряем состояние мячей, они находятся в состоянии запутанной суперпозиции. Их квантовое после столкновения и перед измерением будет [1 -1] + [-1 1] + [0 0].
(Для квантовых скептиков: если мы измерим разнонаправленные спины красного и синего мячей, теорема Белла говорит нам, что корреляция между результатами измерения будет сильнее, чем возможно в классической и вышеописанной системах. Этот теоретический результат наблюдается и экспериментально, доказывая, что спин каждого из шаров после столкновения не имеет определенного значения, пока не измеряется).
Измерим спин красного мяча после столкновения. Если он равен 1, квантовое состояние двух мячей после измерения будет [1 -1] — две другие суперпозиции исчезают, поскольку не согласуются с измерением. То же самое, если результат измерения -1 или 0, соответственно, квантовое состояние будет [-1 1] и [0 0]. Любое возможное состояние, несовместимое с результатом измерения, исчезает, даже если оно существовало в исходной суперпозиции.
Проблема квантового измерения
Что случится, если мы решим полностью довериться квантовой механике? В конце концов, она может описать все измеримые явления. Инструмент, который измеряет спин, является достаточно сложной квантовой системой, а человек, который владеет этим инструментом — еще более сложной квантовой системой. Если у меня может быть три разных результата измерения спина, почему бы мне не войти в суперпозицию измерения каждого из трех возможных результатов?
Насколько нам известно, ни один человек не ощущает себя в состоянии суперпозиции — мы даже не знаем, каково это чувство на вкус и цвет. Результат измерения, как описано выше, согласно нашему опыту, равен одному определенному числу.
Чтобы перевести наблюдения квантовой механики «на язык нашего опыта», стандартная КМ предполагает, что измерительные приборы и наблюдатели классические в своем поведении. Не существует суперпозиции классических измерительных приборов и наблюдателей, поэтому измерение дает нам один определенный ответ, чего мы, собственно, и ожидаем. Такое заключение вполне закономерно, но физики от этого не стали лучше спать и меньше спорить.
Проблема в том, что есть масса причин полагать, что измерительные приборы и наблюдатели не являются на самом деле классическими в своем поведении. Скорее их волновая функция в сочетании с уравнением Шрёдингера дает полное описание возможного поведения объекта.
Неклассическое поведение больших измерительных приборов было доказано в рамках квантовой механики теоремой неразрешимости. Если структура квантовой механики сохраняется для всех систем, в конце процесса измерения наблюдатель, измеряющая аппаратура и измеряемый объект находятся в квантовой суперпозиции всех состояний в соответствии с волновой функцией измеряемого объекта.
Учитывая это, проблему квантового измерения можно озвучить так: почему измерение, которое проводится большими и сложными квантовыми устройствами (включая нас самих), выдает определенный и единичный результат? Если какой-то аспект в КМ сводит процесс измерения к определенному результату, то какой именно этот аспект? Можно ли вывести его в рамках существующей квантовой теории или же ее нужно расширить?
Оригинальные понятия коллапса волновой функции и классического наблюдателя были попыткой ответить на этот вопрос, но теорема неразрешимости показала, что этого недостаточно.
Некоторые ученые предположили, что уравнение Шрёдингера должно быть изменено, чтобы включить некоторые нелинейные члены, которые будут выдавать ясные состояния во время измерения. У этих предположений существует ряд проблем — хотя бы потому, что стандартная квантовая механика работает слишком хорошо, чтобы можно было запросто изменить фундаментальное уравнение, не испортив его хорошие части.
В многомировой интерпретации Эверетта проведение измерений с различными результатами приводит к образованию множества альтернативных вселенных — по одной для каждого возможного результата. Это позволяет решить проблему измерения: наблюдатель распадается вместе с измерительным прибором, поэтому не замечает кратности. Но в таком случае вам придется поверить в то, что вылет фотона из атома рождает новые вселенные…
Декогеренция, которая является следствием взаимодействия квантовой системы с ее окружением, может приводить к тому, что суперпозиционные состояния волновой функции неспособны взаимодействовать друг с другом, в результате чего их вероятности становятся независимыми. Некоторые полагают, что именно в этот момент волновая функция коллапсирует, другие — что это вообще не имеет никакого отношения к проблеме измерения, поскольку все вокруг создает суперпозицию, запутываясь с окружающей средой.
Что показал опрос физиков на QPNR на тему проблемы квантового измерения?
Проблемы нет (уйдет с появлением новых данных) — 20 %
Решение в декогеренции — 11 %
Решение где-то еще — 11 %
Серьезно угрожает квантовой механике — 18 %
Ничего из вышеуказанного — 20 %
С таким же успехом физики могли отвечать наугад.
Кот Шрёдингера и макроскопические суперпозиции
Мысленный эксперимент под названием «Кот Шрёдингера» известен многим. Кота, разумную и сложную квантовую систему, помещают в коробку. В коробке также находится молоток, активируемый радиоактивным излучением, который разобьет стеклянную бутылку с цианидом, как только обнаружит радиацию. Наконец, в коробке есть очень слабый радиоактивный источник, излучающий примерно одну частицу в час. Коробка звуконепроницаема, непрозрачна и наглухо закрыта. Вы сидите снаружи. Что будет с котом через час: будет он жив или мертв?
Суть эксперимента в том, что условия точно описываются квантовой механикой (распадется ли радиоактивный атом?), а сам он представлен классической проблемой (жив кот или мертв?). Мы хотим посмотреть, на каком этапе результат эксперимента перестанет находиться в компетенции КМ и станет обычным классическим «да» или «нет».
Основной аргумент таков: пока коробка не откроется, кот будет находиться в квантовой суперпозиции мертвого и живого кота. С другой стороны, если кот выступает в роли наблюдателя, он как минимум будет знать, что он жив. (Осознание котом того факта, что он умер, зависит от существования загробной жизни — и такое предлагается в квантовой механике). Обсуждение тянется бесконечно, вариантов ответов — масса.
В многомировой интерпретации судьба кота не так печальна. Когда коробка открывается, вселенная расщепляется на две: в одной кошка живет дальше, в другой нет.
Кот Шрёдингера стал отдельным вопросом в квантовой механике по опросу QPNR: «Возможны ли суперпозиции макроскопически различимых состояний (вроде мертвого/живого кота) в принципе, в лаборатории или принципиально невозможны?
В принципе возможны — 55 %
Возможны в лабораторных условиях — 30 %
Невозможны в принципе — 15 %
Этот вопрос очень важен, поскольку его можно проверить экспериментально.
Крупнейшей системой, которая была успешно введена в состояние квантовой суперпозиции, является квантовый микрофон весом в нанограмм (10 триллионов атомов) объемом около 450 кубических микрон. Намного меньше кота, но больше того, что связывают с обычными атомными и субатомными взаимодействиями — то есть тем, что обычно разбирает квантмех. Активное развитие создания квантовой суперпозиции больших объектов, наверное, основная причина того, почему ученые позитивно смотрят на макроскопические суперпозиции. Если идея работает на практике, со временем она найдет все больше и больше сторонников.
Одной из проблем в КМ является физическая реальность квантовых состояний. В опросе QPNR был такой вопрос: квантовое состояние только описывает реальность (эпистемическое) или является реальным, как электрическое поле, то есть его можно измерить (онтическое)?
Эпистемическое — 27 %
Онтическое — 24 %
И то, и другое — 33 %
Сугубо статистическое — 3 %
Другое — 13 %
Случайность в квантовой механике
Другим фундаментальным вопросом в квантовой механике является случайность отдельных квантовых событий, вроде того же распада радиоактивного атома. Квантовая механика предсказывает поведение, которое согласуется со случайным распадом с характерным периодом полураспада для этого распада (извините за тавтологию). Но случаен ли процесс распада, или просто кажется таким? В опросе QPNR было четыре варианта: скрытый детерминизм; только кажется случайным; минимальная случайность и случайность как фундаментальный принцип природы.
Скрытый детерминизм — это точка зрения Эйнштейна (мозг которого изучают и по сей день) — существует скрытый заводной механизм в основе того, что мы воспринимаем как квантовую реальность. Это явление на самом деле классическое и механистическое, но в настоящее время мы не можем его наблюдать.
Вселенная только кажется случайной в многомировых интерпретациях, похожих на эвереттову. Восприятие случайности — это всего лишь побочный эффект обнаружения себя в одной из новых ветвей вселенной.
И самая сложная часть заключается в разнице между минимальной случайностью и случайностью — фундаментальным принципом природы. Последнее вообще ускользает от понимания. Грубо говоря, минимальная случайность описывает Вселенную, в которой существуют явления, которые приводят к непредсказуемым результатам, а понятие фундаментальной случайности описывает вселенную, в самой основе работы которой лежит случайность. В отличие от скрытого детерминизма, фундаментальная случайность распространяется и на подуровни реальности, в случае существования таковых.
Результаты опроса:
Скрытый детерминизм — 0 %
Очевидная случайность — 7 %
Минимальная случайность — 40 %
Фундаментальная случайность — 53 %
Отсутствие поддержки скрытого детерминизма (прости, Эйнштейн), судя по всему, связано с экспериментальным подтверждением теоремы Белла. Согласно этой теореме, в нашей Вселенной не может быть скрытых параметров.
Забавно, что не все сторонники Эверетта согласны с тем, что наблюдаемая случайность является следствием нашего выбора в этой вселенной.
А вот два самых странных понятия набрали максимум. Похоже, это тот самый момент, когда неуверенность и неопределенность набирают силу уверенности и определенности.
Наука или предубеждение?
Чтобы подвести итоговую черту подо всей этой неописуемостью и поставить «жирную точку в интерпретации квантовой механики», спросим физиков, насколько их выбор зависит от личных философских предубеждений?
Сильно — 58 %
Слабо — 27 %
Не имеет значения — 15 %.
Честно говоря, такой опрос пахнет тем, что квантовая механика близка к статусу псевдонауки. Насколько точной может быть псевдонаука? Думаю, ответом на вопрос Ричарда Фейнмана «но как она вообще может быть такой?» в отношении квантовой механики будет стихотворение Федора Тютчева «Silentium!».
hi-news.ru
Физики создали квантовый барабан по принципу кота Шредингера
11:2018.05.2018
(обновлено: 15:13 18.05.2018)
4955255
МОСКВА, 18 мая — РИА Новости. Австралийские и британские ученые создали квантовый аналог барабана, который одновременно вибрирует и молчит, подобно тому как кот Шредингера одновременно жив и мертв, говорится в статье, опубликованной в New Journal of Physics.
Российские физики научились "откармливать" котов Шредингера"Для того чтобы научиться бить в барабан, нам пришлось создать специальные квантовые палочки, роль которых играют одиночные частицы света. Все это открывает дорогу для создания механического аналога кота Шредингера и проверки законов квантовой механики на макромасштабах", — заявил Мартин Рингбауэр (Martin Ringbauer) из университета Квинсленда в Брисбене (Австралия). Кот Шредингера — объект мысленного эксперимента, который в 1935 году предложил австрийский физик Эрвин Шредингер. В эксперименте в закрытый ящик помещают кота и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома (что может случиться или не случиться). В соответствии с принципами квантовой физики кот одновременно и жив, и мертв.
Отсюда берет начало термин "квантовая суперпозиция" — совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот. Многие физики, в том числе и из Российского квантового центра, сейчас активно пытаются создать такого кота Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.
Рингбауэр и его коллеги сделали к этому первый шаг, изучая, как одиночные частицы света взаимодействуют с очень тонкими, но видимыми пленками. Ученых интересовало, будут ли столкновения фотонов с этими мембранами порождать квантовые эффекты, нарушающие классические законы механики.
Физики создали атомного "кота Шредингера" длиной в 54 сантиметра Как отмечает физик, при некоторых условиях одиночную частицу света можно распилить на два более тусклых, но при этом запутанных фотона. Если одну частицу направить на мембрану, а вторую — на обычное зеркало, их взаимодействие приведет к тому, что между барабаном и фотонами возникнет еще одна квантовая связь.
Квантовый барабан, созданный физиками из Австралии и Британии
В этот момент в дело вступает то, что распиленный фотон на самом деле одновременно находится и в той, и в другой точке — он или пролетает мимо мембраны, не вызывая в ней колебаний, или же ударяется в нее. Соответственно, при некоторых измерениях он будет бить в барабан, а при других — не вызывать в нем никаких изменений. То есть барабан будет одновременно и молчать, и стучать, а пленка становится макроскопическим аналогом кота Шредингера.
Ученые смогли "разрезать" кота Шредингера на две половины Руководствуясь этими идеями, авторы статьи собрали установку и начали наблюдать за колебаниями пленки при помощи еще одного лазера. Как признает Рингбауэр, при комнатных температурах эта конструкция не вполне похожа на барабан Шредингера, но даже в таких условиях на ее поверхности возникают аномалии, которые указывают на наличие квантовых свойств.
В ближайшее время команда Рингбауэра планирует улучшить работу лазерных датчиков колебаний и поместить квантовый барабан в холодильную установку, что, как они надеются, поможет впервые увидеть настоящего кота Шредингера.
ria.ru
Геймеры и ученые провели самую массовую проверку квантовой физики
МОСКВА, 9 мар — РИА Новости. Физики успешно провели самую массовую проверку принципов квантовой физики, подключив к ее верификации свыше 100 тысяч геймеров, игравших в онлайн-игру и генерировавших абсолютно случайные числа, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
Физики впервые проверили квантовую физику на межзвездных расстояниях"Удивительно, что спор Бора и Эйнштейна, начавшийся 90 лет назад, по-прежнему сохраняет философский и человеческий элемент. Большие машины и детекторы помогли нам открыть бозон Хиггса, однако мы можем проверить локальный реализм только в том случае, если мы сами примем участие в опытах. Только так можно заставить Вселенную вести себя честно", — заявил Морган Митчелл (Morgan Mitchell), организатор проекта Big Bell Test. Эйнштейн, ты не прав
Открытие контринтуитивных принципов квантовой механики в 20-х годах прошлого века заставило многих физиков, в том числе и Альберта Эйнштейна, подозревать, что их необычная работа объясняется некими неизвестными нам принципами и скрытыми переменными, которые можно описать языком классической физики. Другие ученые, такие как Нильс Бор, считали, что квантовая физика просто "работает" и что нам не надо искать метафизических объяснений ее существованию.
Главным аргументом Эйнштейна и его сторонников было то, что знаменитый физик называл "призрачное действие на расстоянии" — невозможный с точки зрения теории относительности феномен того, что связанные друг с другом на квантовом уровне частицы, удаленные друг от друга на большие расстояния, будут менять свои свойства одновременно.
Трио "мертвых звезд" подтвердило теорию относительности Эйнштейна Через 30 лет после формулировки этого парадокса британский физик Джон Белл нашел способ его экспериментально проверить, наблюдая за движением и свойствами частиц, связанных на квантовом уровне и движущихся на большом расстоянии друг от друга. За последние 30 лет ученые провели множество экспериментов, которые стабильно показывали, что Эйнштейн был не прав, однако скептиков это не убедило.
Причиной этого является один простой философский аргумент, связанный с природой Вселенной, в которой мы живем. Последователи Эйнштейна выдвинули один очень сложный и интересный вопрос: насколько мы свободны в выборе частиц, которые мы используем для проведения наших замеров? Возможно, что их выбор очень ограничен, что создает иллюзию "запутанности" состояний частиц, которой на самом деле нет.
Весь мир — телескоп: как ученые из России превратили космос в обсерваторию Как и все философские идеи, проверить и опровергнуть эту претензию "реалистов" очень сложно. Только год назад ученые выяснили, как воплотить подобный эксперимент на практике, используя свет далеких звезд, возникший в недрах светил задолго до рождения наблюдателей, для выработки случайных чисел, используемых при наблюдениях за "запутанными" частицами.
Сила толпы
Митчелл и его коллеги нашли еще один способ осуществить подобную проверку, подключив к ней "коллективный разум" нескольких десятков тысяч добровольных помощников, согласившихся сыграть в простейшую компьютерную игру. Фактически ученые "свалили" на них проблему выбора, связав каждую пару частиц со случайными участниками игры.
Подобный подход, как объясняют физики, исключал вероятность того, что свойства "запутанных" частиц могли повлиять на выбор геймеров, удаленных друг от друга на большие расстояния. Они не знали, когда и где будут проводиться замеры, и будут ли они осуществлены в принципе, так как компьютер случайно выбирал лишь несколько сгенерированных ими цифр из тысячи случайных последовательностей, поступавших каждую секунду на главный сервер игры.
Физик: все события во Вселенной могут быть полностью предопределены Благодаря большому числу участников эксперимента ученым удалось получить примерно 90 миллионов случайных чисел за несколько десятков минут, во время которых велись измерения в 13 лабораториях в разных уголках мира. Это помогло им провести эксперимент Белла с максимально высокой точностью и показать, что и в данном случае идеи Эйнштейна не соответствуют действительности.
У скептиков, как признают Митчелл и его коллеги, остается одна лазейка — они могут заявить, что человек не обладает свободой воли и что все события во Вселенной были изначально предопределены. Подобные идеи уже излагались известными физиками, в том числе Герардом 'т Хоофтом, однако сейчас они выходят за пределы науки и являются частью метафизики, а не физики.
ria.ru
Почему квантовая механика и теория относительности несовместимы? / Хабр
Несмотря на то, что мы достигли определенных успехов в понимании внутреннего устройства вселенной (бозон Хиггса, ага), в наших знаниях все еще есть зияющие пробелы. В конце концов, почему у нас до сих пор нет Теории Великого Объединения и Теории Всего?.. И почему Общая теория относительности Эйнштейна никак не может подружиться с квантовой механикой?
Кстати говоря, а зачем нам их вообще дружить?
Все наши знания о законах вселенной можно разделить на две большие группы. В одной окажется квантовая механика, из которой выросла Стандартная Модель вместе со всеми своими фундаментальными частицами и тремя взаимодействиями: электромагнитным, сильным и слабым. В другую группу попадет ОТО, разработанная Эйнштейном, описывающая четвертое фундаментальное взаимодействие — гравитацию, а также черные дыры, расширение вселенной и даже путешествия во времени.
Могут ли они сосуществовать вместе?
Вы наверно уже догадались, что мы точно не знаем, как квантовая механика и ОТО могут объединиться в квантовую гравитацию. Не смотря на больше количество любопытных теорий о том, как это можно сделать, я не буду сейчас на них останавливаться, а просто попытаюсь объяснить, зачем это вообще нужно.
Два Королевства
Квантовая механика и ОТО обычно применяются на очень различных масштабах. Например, квантовая механика долгое время оставалась загадкой для ученых потому, что ее эффекты становятся значимыми лишь на масштабах отдельных атомов. Если у вас хорошее воображение, вы сможете представить, как с помощью квантовой механики можно описать плотность, скажем, кота, но сделать это можно лишь с большой натяжкой.
Эффекты ОТО, в свою очередь, становится заметными в сильных гравитационных полях. Например, время возле поверхности Земли течет медленнее, а свет огибает скопления галактик. Эти явления могут быть, в целом, проигнорированы, но только до тех пор, пока мы не захотим разобраться, к примеру, что происходит на поверхности нейтронных звезд. Одним словом, ОТО работает на больших масштабах, начиная от звездных систем и заканчивая всей Вселенной.
Но существуют очень интересные места, где ОТО и квантовая механика пересекаются.
Например, в черных дырах, отличных астрофизических лабораториях. При сравнительно небольших размерах они обладают чрезвычайно сильным гравитационным полем. Более того, первые попытки совместить гравитационные и квантовые эффекты впервые были предприняты как раз на границе черных дыр. Например, известное Излучение Хоккинга, которое, кстати говоря, через миллиарды лет должно испарить даже самые массивные черные дыры и неизбежно привести к тепловой смерти вселенной.
В общем, описывать их снаружи у нас более-менее получается. Но чем глубже мы приближаемся к их центру, тем меньше мы понимаем, что же там происходит на самом деле.
Сингулярности
Если вы бросите что-либо за горизонт событий черной дыры, то оно никогда не вернется назад. Более того, в мире, где гравитация — главный игрок, все, что попадает в черную дыру, в конце концов, окажется заключенным в буквальном смысле точку — так называемую «сингулярность». В момент большого взрыва существовала такая же проблема: невероятно большая плотность заключенная в невероятно малом пространстве. В первое мгновение, вероятно, бесконечно малом.
Мы никогда не наблюдали «чистую сингулярность» напрямую — и есть серьёзные причины полагать, что никогда и не будем. Это довольно печально с точки зрения ее изучения, но, тем не менее, не так плохо, учитывая, что нас не разорвет гравитационными силами.
Согласно предсказаниям ОТО, черные дыры имеют буквально нулевой радиус, но в квантовой механике происходит нечто совсем другое. В ней существует принцип неопределенности, который, помимо всего прочего, утверждает, что мы принципиально не сможем определить абсолютно точное положение какой-бы то ни было частицы материи. На практике это означает, что те сущности, которые мы называем «частицами» не могут быть сколь угодно малы. Согласно квантовой механике, как бы мы не старались, массу равную массе солнца не удастся заключить в область размером меньше 10^-73 метра. Этот размер умопомрачительно мал, но, тем не менее, не равен нулю.
Если бы это была единственная нестыковка между квантовым миром и гравитацией (которая, к тому же, наверно, уже была известна читателям), можно было бы простить их за скептицизм по отношению к масштабам трагедии.
Но настоящие проблемы между ОТО и квантовой механикой начинаются гораздо раньше этих масштабов в 10^-73 метра.
Классическая и Квантовая Теории.
ОТО — это классическая теория поля, которая описывает вселенную как непрерывное распределение чисел — абсолютно детерминированных чисел — если, конечно, у вас есть достаточно точные инструменты для их измерения. Эти числа могут рассказать все об искривлении пространства-времени, везде и всегда. Само же искривление, в свою очередь, всецело описывается массой и энергией. Джон Уилер точно заметил:
Масса говорит пространству-времени как изгибаться, пространство-время говорит массе как двигаться Но квантовые теории абсолютно другие! В квантовом мире частицы взаимодействуют друг с другом с помощью других частиц — переносчиков взаимодействия. Электромагнитные силы, к примеру, используют фотоны, сильное взаимодействие — глюоны, слабое — W и Z бозоны.Нам не нужно нырять в черные дыры, чтобы увидеть конфликт между классической и квантовой теориями. Вспомните известный «Эксперимент с двумя щелями». В нем луч с электронами (или фотонами, или любыми другими частицами) проходит сквозь экран с двумя узкими прорезями. Ввиду квантовой неопределённости не существует способа определить конкретную прорезь, через которую пролетает электрон. Он в буквальном смысле проходит через обе щели одновременно. Даже само по себе это явление довольно странно, но в контексте гравитации оно становится абсолютно непонятным. Если электрон проходит в одно отверстие, он должен создавать слегка иное гравитационное поле, чем если бы он прошел через другое.
Еще более странным является то, что согласно эксперименту Уиллера с отложенным выбором, возможно создать такие условия, при которых электрон выберет щель в прошлом, после ретроспективных наблюдений по окончанию эксперимента. С ума сойти, правда?
Другими словами, мир гравитации должен быть абсолютно детерминированный; в квантовой механике этого как раз и не происходит.
Гравитация особенна
Есть еще более глубокая проблема. В отличии, скажем, от электричества, которое взаимодействует только с заряженными частицами, гравитация, похоже, взаимодействует со всем. Все виды масс и энергий поддаются влиянию гравитации и создают гравитационные поля. Также, в отличие от электричества, не существует отрицательных масс, которые бы смогли нейтрализовать положительные.
Мы можем представить квантовую теорию гравитации, по крайней мере, в принципе. Так же, как и у основных сил, у нас будет частица-переносчик взаимодействия, заочно названная гравитоном, которая и будет передавать сигнал.
Мы даже можем представить эксперименты, проводимые на все меньших и меньших масштабах, в которых мы будем наблюдать все больше и больше виртуальных гравитонов между частицами. Проблема в том, что на малых масштабах энергии становятся все больше и больше. Например, ядро атома разрушить гораздо сложнее, чем оторвать от него электрон.
На самых малых расстояниях рой гравитонов с огромной энергией должен создавать невероятную плотность энергии, и вот тут-то начинаются проблемы. Гравитация в теории должна взаимодействовать со всеми формами энергии, а так как мы генерируем бесконечно больше количество высокозаряженных частиц, они должны создавать сильнейшее гравитационное поле. Наверно, вы уже видите, в чем проблема. В конце концов, все подсчеты заканчиваются веером бесконечностей, лезущих отовсюду.
В электромагнетизме и других квантовых взаимодействиях, при переходе к очень малым масштабам результаты расчетов становятся крайне обескураживающими. Это расстояние, известное также как планковая длина, во много раз меньше атома — всего 10^-35м. Я в очередной раз замечу, что сейчас абсолютно непонятно, как же законы природы должны работать в масштабах меньше этого расстояния. Квантовая механика говорит, что в этом микромире могут то и дело абсолютно случайно возникать и исчезать крошечные черные дыры, таким образом предполагая, что пространство-время само по себе далеко не равномерно, если присмотреться к нему поближе.
Мы пытаемся избежать этих нестыковок теорий с помощью процесса, который называется перенормировкой. Перенормировка — это просто заковыристый способ сказать, что мы делаем расчеты только до определенного предела. Она позволяет избавиться от бесконечностей в большинстве теорий и спокойно жить дальше. Т.к. большинство взаимодействий включают в себя лишь разницу двух энергий, не имеет значения, сложили ли вы или вычли константу из всех данных (даже, по всей видимости, если эта константа — бесконечность), результат все равно получается удовлетворительным.
Не все, конечно, с этим согласны. Великий Ричард Фейнман сказал:
Этот трюк который мы делаем… Технически он называется перенормировкой. Но неважно, насколько умным словом он назван, я бы назвал его сумасшествием! Обращение к таким фокус-покусам не дает нам права утверждать, что теория квантовой электродинамики математически консистентна. Удивительно, что до сих пор толком не удалось это доказать; Я думаю, перенормировка c точки зрения математики не может считаться верной в полном смысле этого слова. Даже не смотря на эти возражения, с гравитацией дела обстоят еще печальнее. Так как гравитация воздействует на все частицы (в отличие от электромагнетизма), эти бесконечные энергии тянут за собой бесконечную кривизну пространства-времени. И даже перенормировка не позволяет нам от нее избавиться.Что мы знаем?
Не смотря на то, что у нас нет теории квантовой гравитации, у нас есть некоторое представление о том, как она должна выглядеть. Например, в ней точно должен быть гравитон, и поскольку гравитация, кажется, может распространятся повсюду, гравитон (как и фотон) должен обладать нулевой массой, ведь тяжелые переносчики взаимодействия (такие как W и Z бозоны) могут взаимодействовать только на очень небольших расстояниях.
Также между классической и квантовой теориями существуют любопытные связи. Например, электромагнетизм генерируется электрическими зарядами и токами. В математической модели эти источники должны производить частицы — переносчики взаимодействия со спином -1. Такие частицы с нечетным спином должны создавать отталкивающие силы — и действительно, два электрона будут отталкивать друг друга.
Стоит упомянуть, что ОТО также известна как «тензорная теория», т.к. в ней описываются все виды источников в комбинации с давлением, течением и плотностью распределения энергии. Квантовые версии тензорных теорий описывают частицы-переносчики взаимодействия со спином -2, поэтому гравитон тоже должен обладать таким спином. И — сюрприз — переносчики взаимодействия с четным спином притягивают одинаковые частицы, что отлично согласуется с тем, как работает гравитация.
Что ж, ура нам. Мы все-таки знаем что-то о том, как должен выглядить гравитон. Но касательно всех этих бесконечностей — черт, у нас нет ни малейшего представления о том, что же все-таки происходит на самом деле!
habr.com
