Математические физики из Калифорнии и Японии предложили новый взгляд на описание квантовой запутанности. Согласно работе ученых, квантовая запутанность «создает» дополнительные измерения для гравитационной теории. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Токийского университета.
Физики и математики давно ищут «Теорию всего», которая бы объединяла общую теорию относительности (ОТО) и квантовую механику. Первая теория описывает гравитационное взаимодействие и применима для тяжелых объектов (звезд, черных дыр и галактик) на больших (космических) масштабах расстояний, в то время как квантовая механика объясняет явления от субатомных до молекулярных масштабов.
Обе теории вступают в противоречие друг с другом на планковских масштабах (планковская длина равна примерно 1,62х10-35 метрам, что в 2х1020 раз меньше «диаметра» протона), поскольку на них в ОТО необходим учет квантовых поправок. Так, в черной дыре квантовые эффекты приводят к ее испарению. Квантовая версия ОТО, получаемая наивным квантованием классических полей, оказывается неперенормируемой, то есть ее наблюдаемые величины не удается сделать конечными.
Одним из составляющих гипотетической Теории всего является голографический принцип. Он утверждает (на примере работы ученых), что гравитация в трехмерном объеме может быть описана квантовой теорией на двумерной поверхности, ограничивающей этот объем. Однако понимание того, каким образом информация о взаимодействии, имеющем место в пространстве большей размерности, может быть получена из пространства меньшей размерности, до сих пор остается неизвестной.
Математическое соотношение, полученное Огури вместе с соавторами, связывает локальные данные о гравитации (красная точка) с квантовой запутанностью, информация о которой содержится на двумерных поверхностях (синие полусферы) Изображение: Jennifer Lin
В своем исследовании ученые обнаружили, что квантовая запутанность может быть ключом к решению этого вопроса. Физики при помощи квантовой теории, используя данные о квантовой запутанности в двух измерениях, вычислили плотность вакуумной энергии, которая в трехмерном пространстве проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Как отмечают ученые, это аналогично тому, как при рентгеновском обследовании о состоянии (трехмерных) органов в теле становится известно по их (двумерным) снимкам.
Работа ученых позволила интерпретировать квантовую запутанность как условие, налагаемое на плотность энергии. Эти условия должны удовлетворяться в любой согласованной (не противоречащей ОТО и квантовой механике) квантовой теории гравитации. Как отмечают ученые, ранее в других работах отмечалась важность квантовой запутанности при описании пространства-времени, однако только в новой работе была выяснена ее точная роль.
«Было известно, что квантовая запутанность связана с глубокими вопросами объединения ОТО и квантовой механики, такими, как информационный парадокс черных дыр и файерволом. Наша статья при помощи явных вычислений проливает новый свет на взаимосвязь между квантовой запутанностью и микроскопической структурой пространства-времени (квантовой гравитацией — прим. «Ленты»). Связь между квантовой гравитацией и информационными науками становится все более важной для обеих областей исследований. Совместно с учеными, работающими в информационных науках, я продолжу эти исследования», — рассказал о значении работы ее соавтор, доктор Хироси Огури.
Квантовой запутанностью называется явление, при котором квантовые состояния частиц (например, спин или поляризация), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Процедура измерения состояния одной частицы приводит к изменению состояния другой. Альберт Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием».
