Альберт Эйнштейн (1879-1955) опубликовал труды, сделавшие его знаменитыми, в основном, на ранних этапах научной карьеры. Работа, содержащая основные принципы специальной теории относительности, относится к 1905 году, общей теории относительности – к 1915 году. Квантовая теория фотоэффекта, за которую консервативный Нобелевский комитет присудил ученому премию, тоже относится к 1900-м годам.
Люди, имеющие опосредованное отношение к науке, как правило, не имеют представления о научной деятельности Альберта Эйнштейна после эмиграции в США в 1933 году. А, надо сказать, он занимался проблемой, которая фактически не решена до сих пор. Речь идет о так называемой «единой теории поля».
Всего в природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействий. Гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие между частицами, имеющими электрический заряд. Но не только явления, которые в бытовом сознании связаны с электричеством, происходят благодаря электромагнитному взаимодействию. Поскольку, например, для двух электронов сила электромагнитного отталкивания заметно превышает силу гравитационного притяжения, им объясняются взаимодействия отдельных атомов и молекул, то есть химические процессы и свойства веществ. Большая часть явлений классической механики (трение, упругость, поверхностное натяжение) имеют в своей основе его же. Теорию электромагнитного взаимодействия разработал еще в XIX веке Джеймс Максвелл, который объединил электрическое и магнитное взаимодействия, и она была прекрасно известна Эйнштейну вместе с ее более поздними квантовыми интерпретациями.
Гравитационное взаимодействие – это взаимодействие между массами. Ему посвящена общая теория относительности Эйнштейна. Сильное (ядерное) взаимодействие стабилизирует ядра атомов. Оно было теоретически предсказано в 1935 году, когда стало понятно, что уже известных взаимодействий недостаточно, чтобы ответить на вопрос: «Что удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов?». Существование сильного взаимодействия получило первое экспериментальное подтверждение в 1947 году. Благодаря его исследованию в 1960-х годах были открыты кварки, и, наконец, в 1970-х годах была построена более-менее полная теория взаимодействия кварков. Слабое взаимодействие тоже происходит в атомном ядре, оно действует на более коротких расстояниях, чем сильное, и с меньшей интенсивностью. Однако без него не существовало бы термоядерного синтеза, обеспечивающего, например, солнечной энергией Землю, и β-распада, благодаря которому оно и было открыто. Дело в том, что при β-распаде не происходит, как говорят физики, сохранения четности. То есть для остальных взаимодействий результаты экспериментов, проведенных на зеркально симметричных установках, должны совпадать. А для экспериментов по изучению β-распада они не совпали (о фундаментальной разнице правого и левого уже шла речь в одной из лекций Полит.ру). Открытие и описание слабого взаимодействия пришлись на конец 50-х годов.
На сегодняшний день в рамках Стандартной модели (ей также недавно была посвящена лекция Полит.ру) объединены электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Согласно Стандартной модели все вещество состоит из 12 частиц: 6 лептонов (среди которых электрон, мюон, тау-лептон и три нейтрино) и 6 кварков. Еще есть 12 античастиц. Все три взаимодействия имеют свои переносчики – бозоны (фотон – это бозон электромагнитного взаимодействия). А вот гравитационное взаимодействие пока объединить с остальными не удалось.
Умерший в 1955 году Альберт Эйнштейн ничего не успел узнать о слабом взаимодействии и мало что – о сильном. Таким образом, он пытался объединить электромагнитное и гравитационное взаимодействия, а это задача и на сегодняшний день не решенная. Поскольку Стандартная модель по сути своей квантовая, для объединения ней гравитационного взаимодействия нужна квантовая теория гравитации. Ее на сегодняшний день по совокупности причин нет.
Одна из сложностей квантовой механики, особенно ярко проявляющаяся, когда надо говорить про нее с неспециалистом, – это ее неинтуитивность и даже антиинтуитивность. Но даже и ученые часто вводятся в заблуждение этой антиинтуитивностью. Разберем один пример, иллюстрирующий это, и полезный для понимания дальнейшего материала.
С точки зрения квантовой теории, до момента измерения частица находится в состоянии суперпозиции – то есть его характеристика одновременно с какой-то вероятностью принимает каждое из возможных значений. В момент измерения суперпозиция снимается, и факт измерения «заставляет» частицу принять конкретное состояние. Это само по себе противоречит интуитивным представлениям человека о природе вещей. Не все физики были согласны, что такая неопределенность – фундаментальное свойство вещей. Многим казалось, что это какой-то парадокс, который позже прояснится. Именно об этом известнейшая фраза Эйнштейна, произнесенная в споре с Нильсом Бором «Бог не играет в кости». Эйнштейн считал, что, на самом деле, все детерминировано, просто мы пока не можем это измерить. Правильность противоположной позиции была позднее продемонстрирована экспериментально. Особенно ярко – в экспериментальных исследованиях квантовой запутанности.
Квантовая запутанность – ситуация, при которой квантовые характеристики двух или более частиц оказываются связаны. Она может возникнуть, например, если частицы родились в результате одного и того же события. Фактически, нужно, чтобы была определена (например, благодаря их общему происхождению) суммарная характеристика всех частиц. С такой системой частиц происходит еще более странная, чем с одиночной частицей, вещь. Если, например, в ходе эксперимента измерить состояние одной из запутанных частиц, то есть заставить ее принять конкретное состояние, то суперпозиция автоматически снимается и у другой запутанной частицы, на каком бы расстоянии они ни находились. Это было доказано экспериментально в 70 – 80х годах. На сегодняшний день экспериментаторам удалось получить квантово-запутанные частицы, разнесенные на несколько сотен километров. Таким образом, получается, что информация передается от частицы к частице с бесконечной скоростью, заведомо большей скорости света. Последовательно стоявший на детерминистских позициях Эйнштейн отказывался считать эту ситуацию чем-то большим, чем абстрактным умопостроением. В своем письме к физику Борну он иронически назвал взаимодействие запутанных частиц «жутким дальнодействием».
Забавную бытовую иллюстрацию феномена квантовой запутанности придумал физик Джон Белл. У него был рассеянный коллега Рейнгольд Бертлман, который очень часто приходил на работу в разных носках. Белл шутил, что если наблюдателю виден только один носок Бертлмана, и он розовый, то про второй, даже не видя его, можно совершенно точно сказать, что он не розовый. Разумеется, это просто забавная, не претендующая на проникновение в суть вещей аналогия. В отличие от частиц, которые до момента измерения находятся в состоянии суперпозиции, носок с самого утра на ноге один и тот же.
Сейчас квантовая запутанность и связанное с ней дальнодействие с бесконечной скоростью считаются реальными, экспериментально доказанными феноменами. Им пытаются найти практическое применение. Например, при конструировании квантового компьютера и разработке методов квантовой криптографии.
Работы в области теоретической физики, проведенные за последний год, дают надежду, что проблема построения теории квантовой гравитации и, соответственно, единой теории поля будет, наконец, решена.
В июле этого года американские физики-теоретики Малдасена и Сасскинд выдвинули и обосновали теоретическую концепцию квантовой запутанности черных дыр. Напомним, что черные дыры – это очень массивные объекты, гравитационное притяжение к которым настолько велико, что, подобравшись к ним на определенное расстояние, даже самые быстрые в мире объекты – кванты света – не могут вырваться и улететь прочь. Ученые провели мысленный эксперимент. Они выяснили, что если создать две квантово-запутанные черные дыры, а потом удалить их друг от друга на некоторое расстояние, то в результате образуется так называемая непроходимая кротовая нора. То есть кротовая нора по своим свойствам идентична паре квантово-запутанных черных дыр. Кротовые норы – это пока еще остающиеся гипотетическими топологические особенности пространства-времени, туннели, находящиеся в дополнительном измерении, соединяющие в какие-то моменты времени две точки трехмерного пространства. Кротовые норы популярны в фантастической литературе и кинематографе, потому что через некоторые из них, особенно экзотические, теоретически возможно совершать межзвездные путешествия и путешествия во времени. Через непроходимые кротовые норы, возникающие в результате квантового запутывания черных дыр невозможно ни путешествовать, ни обмениваться информацией. Просто если условный наблюдатель зайдет внутрь одной из пары квантово-запутанных черных дыр, он окажется там же, где он оказался бы, зайдя в другую.
Кротовые норы обязаны своим существованием гравитации. Поскольку в мысленном эксперименте Малдасены и Сасскинда кротовая нора создается на основании квантовой запутанности, то можно сделать вывод, что гравитация не фундаментальна сама по себе, а является проявлением фундаментального квантового эффекта – квантовой запутанности.
В начале декабря 2013 года в одном номере журнала Physical Review Letters вышло сразу две работы (1,2), развивающие идеи Малдасены и Сасскинда. В них голографический метод и теория струн были применены для того, чтобы описать изменения в геометрии пространства-времени, вызываемые квантовой запутанностью. Голограмма представляет собой изображение на плоскости, позволяющее реконструировать соответствующее трехмерное изображение. В общем случае, голографический метод позволяет уместить информацию об n-мерном пространстве в (n-1)-мерное.
Ученым удалось перейти от квантово-запутанных черных дыр к квантово-запутанным парам рождающихся элементарных частиц. При наличии достаточного количества энергии могут рождаться пары, состоящие из частицы и античастицы. Поскольку при этом должны выполняться законы сохранения, такие частицы будут квантово-запутанными. Моделирование такой ситуации показало, что рождение пары кварк+антикварк порождает образование соединяющей их кротовой норы, и что описание состояния квантовой запутанности двух частиц эквивалентно описанию непроходимой кротовой норы между ними.
Получается, что квантовая запутанность может вызывать те же изменения в геометрии пространства-времени, что и гравитация. Возможно, это откроет путь к построению теории квантовой гравитации, которой так не хватает для создания единой теории поля.
