[Из песочницы] Квантовая запутанность и червоточины возможно являются одним физическим явлением

Физика полна невероятных теорий и идей. Одними из наиболее интересных являются квантовая запутанность и червоточины. Первая, предсказанная квантовой механикой, описывает таинственную связь между удаленными элементарными частицами за рамками стандартных взаимодействий. Вторые, предсказанные Общей теорией относительности (ОТО), представляют собой «туннели», связывающие отдаленные участки пространства-времени. В последнее время появились работы (в частности Хуана Малдацена из Принстона и Леонарда Сасскинда из Стэнфордского университета), предлагающие эквивалентность этих двух, на первый взгляд, абсолютно разных явлений.

Давайте вспомним, что из себя представляют червоточины. Они бывают двух типов — проходимые (Мориса-Торна), которые требуют наличия экзотической материи с отрицательной плотностью энергии (предотвращающей схлопывание червоточины), и классические непроходимые (мосты Эйнштейна-Розена), предсказанные в рамках решения ОТО в 1935. Червоточина представляет собой гипотетический объект нетривиальной топологии пространства-времени, который проще всего представить в виде «туннеля», соединяющего разные области пространства. Входы в «туннель» образованы сферическими горловинами, которые можно соединить кривой (внутримировая червоточина). Такая червоточина коллапсирует быстрее, чем через нее можно было бы пройти.

Несколько десятилетий спустя, физик из Принстонского университета, Джон Уилер математически показал, что горловины червоточины, хорошо подходят для описания того, что мы понимаем под черными дырами. Входами в червоточину выступают внешние части черных дыр, а их внутренние части (области за горизонтом событий) и формируют червоточину.

С квантовой запутанностью все не менее интересно. В 1935 вышла в свет работа Эйнштейна-Подольского-Розена, получившая название «Парадокс EPR». В этой работе говорится о феномене квантовой механики (сам Эйнштейн называл его скорее мысленным экспериментом), согласно которому измерив квантовое состояние одной из частиц общего происхождения, мы можем точно определить квантовое состояние другой частицы, не проводя измерения над ней. То есть речь идет об неизвестной силе, действующей мгновенно (то есть быстрее скорости света) на удаленные частицы общего происхождения. Позже явление получило термин «квантовая запутанность», а частицы стали называться «запутанными». Как она работает? Представьте, что вы забыли одну перчатку дома. Пока вы не полезете в карман, вы не знаете, какая перчатка у вас, какая дома. Вероятность того, что с вами правая или левая перчатка составляет 50% и мы имеем суперпозицию двух возможных вариантов. Но как только вы видите, что с вами правая перчатка, вы мгновенно знаете, что дома осталась левая. Тоже самое происходит и с элементарными частицами. Разнесенные на любое расстояние запутанные (приготовленные особым образом) частицы как будто сохраняют между собой некую связь — если мы измерим квантовое состояние (например, спин) одной из частиц, мы будем точно знать квантовое состояние другой частицы. Сегодня квантовая запутанность подтверждена многочисленными экспериментами и даже используется, например, в криптографии.

Но вернемся к возможной связи червоточин и квантовой запутанности. Ранее мы представили червоточину в виде двух черных дыр, соединенных мостом Эйнштэйна-Розена. Черные дыры хороши также тем, что это единственные объекты, к которым можно применить и ОТО и квантовую механику. То есть черные дыры мы можем принять за квантовые объекты. Малдацена и Сасскинд предложили нетривиальную теоретическую конструкцию. Давайте возьмем, говорят они, все частицы излучения Хокинга от оригинальной черной дыры А и соберем их вместе, создав черную дыру Б. Частицы черной дыры А и Б запутаны между собой и мы можем говорить о двух запутанных черных дырах, соединенных червоточиной. Эти черные дыры могут быть удалены на любое расстояние, но их квантовые состояния будут коррелировать между собой. Перенеся эту теоретическую конструкцию на мир элементарных частиц, мы вправе говорить, что квантовая запутанность, это вовсе не «жуткое действие на расстоянии», а вполне себе физическое явление в виде реального моста в геометрии пространства-времени, связывающего удаленные частицы и не требующего превышения скорости света некими загадочными носителями взаимодействия. Сегодня эта теория уже получила свое имя — «ER=EPR» (то есть равенство концепций моста Эйнштейна-Розена, описывающего червоточину и парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена, описывающего квантовую запутанность).

И хотя «ER=EPR» сегодня лежит исключительно в области теоретической физики, целые команды работают над поиском методов для экспериментального подтверждения теории. Дальнейшая разработка «ER=EPR» может стать настоящим прорывом в примирении квантовой механики с гравитацией и приблизит ученых к созданию теории квантовой гравитации, Грааля современной теоретической физики.