Mokslo ir technologijų pasaulis

Tarp fizikų sklando nauja lygtis, kuria didžiuotųsi ir Einšteinas.
Ją nesunku įsiminti:
   ER=EPR.

Tikriausiai įtariate, jog tam, kad lygtis būtų teisinga, P turi būti lygi 1. Bet šios lygties simboliai atitinka ne skaičius, o vardus. E, kaip tikriausiai numanote, reiškia Einšteinas. R ir P yra inicialai — dviejų Einšteino labiausiai intriguojančių straipsnių bendraautorių. Apjungtos šioje lygtyje, raidės rodo galimą būdą apjungti Einšteino bendrąjį reliatyvumą su kvantų mechanika.

Kvantų mechanika ir bendrasis reliatyvumas yra dvi nuostabiai sėkmingos teorijos. Abi jos numato keistus reiškinius, nederančius su tradiciniu tikrovės suvokimu. Tačiau tikrinant, gamta visada tiksliai atitinka šių teorijų prognozes. Kadangi abi teorijos taip puikia aprašo gamtą, sunku suprasti, kodėl visos jų matematinio apjungimo pastangos buvo bergždžios. Tačiau visi įsitikinę, kad galų gale jos turi derėti. Bet kol kas gamta šių teorijų ryšį slėpė.

Tačiau ER=EPR rodo, kad jų ryšio raktas gali lindėti erdvėlaikio tuneliuose, vadinamosiose kirmgraužose. Šie tuneliai, numatomi Einšteino bendrojoje reliatyvumo teorijoje, būtų nelyginant poerdvio jungtys, fiziškai siejančios tolimas vietas. Atrodo, kad tokie tuneliai galėtų būti subatomines daleles siejančių paslaptingųjų ryšių, – kvantinio susietumo (entaglement) – alter ego.

Pastaruosius maždaug 90 metų fizikai atskirai sprendė dvi pagrindines kvantines problemas, – pirma, kaip interpretuoti kvantų matematiką, kad būtų galima suprasti jos keistumus (tokius, kaip kvantinis susietumas), ir antra, kaip apjungti kvantų mechaniką su gravitacija. Pasirodo, kad jei ER=EPR teisinga, abiejų klausimų atsakymas tas pats: kvantinius keistumus galima suprasti tik supratus jų ryšį su gravitacija. Šį ryšį gali nutiesti kirmgraužos.

Formaliai kirmgraužos vadinamos Einšteino-Roseno tiltais (lygties „ER” dalis). Nathanas Rosenas bendradarbiavo su Einšteinu, rengdamas jas aprašantį straipsnį 1935 metais. EPR yra nuoroda į kitą straipsnį, kurį Einšteinas publikavo 1935 kartu su Rosenu ir Borisu Podolsky'iu. Jame buvo išryškintos gamtos prigimties kvantinio susietumo paradoksalios mįslės. Ne vieną dešimtmetį niekas rimtai nė nesvarstė galimybės, kad šie du darbai turi ką nors bendro. Bet 2013 metais, fizikai Juan Maldacena ir Leonard Susskind iškėlė idėją, kad tam tikra prasme, kirmgraužos ir susietumas aprašo vieną ir tą patį dalyką.

Naujame darbe Susskindas parodė iš to kylančias implikacijas. Tarp kita ko, kad kirmgraužų–susietumo tapatumas galėtų sujungti kvantų mechaniką ir bendrąjį reliatyvumą, kad šio junginio detalės galėtų paaiškinti susietumo paslaptį, kad pats erdvėlaikis galėjo rastis iš kvantinio susietumo, ir kad taip galėtų būti išspręstos kvantų mechanikos interpretavimo kontroversijos.

„ER=EPR sako, kad visatą sudarantis nežmoniškai sudėtingas susietų posistemių tinklas taip pat yra nežmoniškai sudėtingas Einšteino–Roseno tiltų tinklas,” rašo Susskindas. „Man atrodo akivaizdu, kad jei ER=EPR yra teisinga, tai labai svarbu, ir tai privalo paveikti kvantų mechanikos pagrindus ir jos interpretavimą.”

Susietumas – viena iš didžiausių kvantų mechanikos supratimą apsunkinančių kliūčių. Jis nutinka, pavyzdžiui, kai dvi dalelės išspinduliuojamos iš bendro šaltinio. Tokios dalelių poros kvantinis aprašymas nurodo tikimybę, kad vienos dalelės išmatavimas (tarkime, sukinio) duos tam tikrą rezultatą (tarkime, prieš laikrodžio rodyklę). Bet vos vienas poros narys išmatuojamas, iš karto pasidaro aišku, koks kitos dalelės tokio paties matavimo rezultatas, nesvarbu, kad ir kaip toli kita dalelė būtų. Einšteinui tai visai nepatiko, ir jis tvirtino, kad matavimas vienoje vietoje niekaip negali paveikti matavimo kitoje (iš čia jo garsusis pasakymas apie „vaiduokliškąjį veikimą per atstumą”). Bet daug atliktų eksperimentų  patvirtino susietumo egzistavimą, paneigusių Einšteino nuomonę. Nors (kaip tvirtino Einšteinas) informacija iš vienos dalelės negali būti persiunčiama kitai iš karto, tačiau viena dalelė „žino“, kas nutiko susietajai partnerei.

Paprastai fizikai kalba apie dviejų dalelių susietumą. Tačiau tai tik paprasčiausias atvejis. Susskindas pažymi, kad kvantiniai laukai — medžiaga, iš kurios sudarytos dalelės — irgi gali būti susieti. „Kvantų lauko teorijos vakuume nesiliečiančių erdvės regionų kvantiniai laukai yra susieti,” rašo jis. Tai susiję su gerai žinomu (bet dėl to nemenkiau keistu) „virtualių“ dalelių atsiradimu ir išnykimu vakuume. Šios dalelės atsiranda poromis, tiesiogine to žodžio prasme, iš niekur; jų bendra kilmė užtikrina jų susietumą. Per savo trumputį gyvavimą jos kartais susiduria su realiomis dalelėmis, kurios tada tampa taipogi susietos.

Dabar tarkime, kad Alisa ir Bobas, visuotinai pripažįstami geriausi įmanomi kvantinių eksperimentų vykdytojai, ima rinkti šias realias vakuume susietas daleles. Alisa paima vieną kiekvienos poros narį, o Bobas paima kitą. Tada jie atskirai nuskrieja tolyn vienas nuo kito į tolimas erdves ir tada surinktąsias daleles suspaudžia taip stipriai, kad jos tampa juodąja bedugne (JB). Kadangi dalelės iš pradžių buvo susietos, Alisa ir Bobas sukūrė dvi susietas JB. Jei ER=EPR lygybė teisinga, šias JB sujungs kirmgrauža; tad susietumas gali būti aprašytas, naudojant kirmgraužų geometriją. „Tai nuostabus teiginys, kurio reikšmės dar neįvertiname,” rašo Susskindas.

Kas dar nuostabiau, jis iškelia mintį, jog gali būti, kad dvi susietas subatomines daleles jungia savotiška kvantinė kirmgrauža. Kadangi kirmgraužos yra erdvėlaikio geometrijos iškreivėjimas — aprašytas Einšteino gravitacijos lygtimis — jų sutapatinimas su kvantiniu susietumu leistų susieti gravitaciją ir kvantų mechaniką.

Kaip bebūtų, šie darbai dar labiau pabrėžia susietumo svarbą tikrovės pažinimui. O būtent, ER=EPR nušviečia debatus dėl kvantų mechanikos interpretavimo. Standartinis kvantinis požiūris (Kopenhagos interpretacija) pabrėžia stebėtojo svarbą, kuris, matuodamas „kolapsuoja“ daugelį kvantinių galimybių į vieną apibrėžtą rezultatą. Bet alternatyvi Everetto (arba „daugelio pasaulių”) interpretacija teigia, kad įvyksta visos galimybės — tačiau bet kuris stebėtojas patiria tik vieną iš daugybės galimų įvykių atsišakojimą.

Everetto interpretacijoje, galimybių debesies (banginės funkcijos) kolapsas niekada nevyksta. Sąveika (tai yra, matavimai) tiesiog susieja sąveikaujančius objektus. Tikrovė tada tampa „sudėtingu susietumų tinklu“. Iš principo visi šie susietumai gali būti apversti, tad niekas iš tiesų nekolapsuoja — ar bent jau būtų klaidinga teigti, kad kolapsas yra negrįžtamas. Tačiau standartinis neišvengiamo kolapso požiūris praktikoje veikia kuo puikiausiai. Neįmanoma „atsukti“ daugybės realiame gyvenime vykstančių sudėtingų sąveikų. Kitaip tariant, Susskindas sako, jog ER=EPR rodo, jos du požiūriai į kvantinę realybę „vienas kitą papildo“.

Susskindas tiria technines susietumo veikimo su daugeliu objektų detales ir aprašo susietumo ir kirmgraužų sulyginimo implikacijas. Pavyzdžiui, kaip ir anksčiau, tai reiškia, kad per kirmgraužų neįmanoma panaudoti informacijos perdavimui erdve greičiau už šviesą. Pavyzdžiui, Alisa ir Bobas negali siųsti vienas kitam žinučių per jų JB jungiančias kirmgraužas. Tačiau jeigu jie išties nori šnektelėti,jie gali šokti į savo JB ir susitikti kirmgraužos viduryje. Toks susitikimas nepaneigiamai patvirtintų ER=EPR idėją, nors Alisai ir Bobui kiltų problemų su straipsnio pateikimu.

Tuo tarpu randasi daug straipsnių apie ER=EPR ir kitus darbus, susijusius su gravitacijos — erdvėlaiko geometrijos — ryšį su kvantiniu susietumu. Viename naujame straipsnyje, Caltech fizikas ChunJun Cao, Sean M. Carroll ir Spyridon Michalakis bando parodyti, kaip erdvėlaikis gali būti „pastatytas“ iš didelio kvantinio susietumo tinklo vakuume. „Šiame straipsnyje stengiamės išvesti pačios erdės egzistavimą ir jos savybes iš kvantinio apibrėžimo, naudodami susietumą,” rašo jie. Jie parodo, kaip pokyčiai „kvantinėse būsenose“ — grynai kvantiniai tikrovės apibrėžimai — gali būti susieti su erdvėlaikio geometrijos pokyčiais. „Šia prasme,” rašo jie, „gravitacija, panašu, natūraliai kyla iš kvantų mechanikos.”

Cao, Carroll ir Michalakis pripažįsta, kad jų būdas neišsamus, jame yra prielaidų, kurios dar turės būti patvirtintos. „Tai, ką atlikome, dar labai preliminaru ir remiasi spėlionėmis,” rašo Carroll tinklaraštyje. „Neturime išsamios visko teorijos, ir netgi tame, ką turime, nemažai spekuliacijų ir nepakankamai nuodugnių skaičiavimų.”

Kaip bebūtų, tarp daugelio fizikų sklando atsivėrusio kvantinės mechanikos ir gravitacijos suvienijimo kelio nuojauta. Jei tai teisingas kelias, pažymi Carroll, tada gravitaciją iš kvantų mechanikos išgauti nesunku — tai „automatika“. O ir Susskindas mano, kad ir kelias link kvantinės gravitacijos — per kirmgraužas — rodo, kad šių dviejų teorijų vienovė gilesnė, nei spėjo mokslininkai. ER=EPR rodo, kad „kvantų mechanika ir gravitacija susijusios daug tvirčiau, nei mes (ar bent jau aš) kada įsivaizdavome”, sako jis.

Tom Siegfried
www.sciencenews.org