Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

Это была грандиозная идея, как ни крути. Однако квантовая теория поля разрушает классическое представление о поле так же безжалостно, как она сметает частицы. Тезкой «полей» в квантовой теории поля является массив не элементов, а операций. Поле может оказывать воздействие, и на него можно воздействовать в конкретных местах. Оно может заставить стрелку компаса повернуться, оно может поглощать энергию, которую вы закачиваете в него. Но что создает эти эффекты? Теория об этом умалчивает. Она страдает все той же неоднозначностью интерпретации, которую мы видели у старой квантовой механики. Квантовая теория поля определяет, что поле делает, но не что оно представляет собой. И чем бы оно ни было, это определенно не может быть скоплением пикселей. Приведенные ранее аргументы против частиц также исключают из картины пиксели, расположенные в каждой точке пространства. Поле не может быть и любой другой разновидностью локальной структуры, поскольку оно обладает нелокальными свойствами. Что поле делает в одной части пространства, зависит от того, что оно делает в других частях. Понятие поля, по словам Халворсона, «похоже, становится своей противоположностью в квантовой теории поля. Вы можете разрезать пространство на блоки, однако эти блоки будут тесно связанными друг с другом. Мы перечеркиваем собственные теоретические достижения».

Квантовая теория поля предполагает существование двух явных типов нелокальности. Первый — это интенсивная форма квантовой запутанности. Осторожные намеки на нее впервые появляются в работах Фейнмана, показавшего, что частицы могут превышать эйнштейновский предел скорости до тех пор, пока их не поймают, т.е. до тех пор, пока они не передадут информацию или не вызовут какое-либо событие, которое в противном случае не произойдет. Позднее физики признали фейнмановское сверхсветовое распространение разновидностью призрачной синхронности запутанных частиц. Запутанными, правда, являются не частицы, а точки поля. Если поместить измерительные приборы в разных частях поля, их показания могут совпадать, даже если ничего не проходит через разделяющее их пространство.

Теория относительности превращает запутанность полей в более чем перелицованную на новый лад версию обычной запутанности частиц. Напомню, что наблюдатель видит пространство как бы разделенным на две части, одна из которых достаточна близка, чтобы получить сигнал через определенный промежуток времени, а другая слишком удалена. Чтобы не нарушать это разделение, волны, распространяющиеся в поле, должны складываться правильным образом. Их высокая степень координации подразумевает наличие сильной связи между отдаленными местами. «Сам факт ограниченности импульса вещества… означает, что состояние вещества связано с положением в пространстве», — говорит Халворсон.

Результатом является то, что он и его коллеги называют «суперзапутанностью». Если обычная запутанность обусловливает связанность определенных аспектов двух или более частиц, таких как поляризация, то суперзапутанность приводит к связанности всех аспектов всего. Это не просто частица здесь и частица там. Каждая точка пространства запутана с каждой другой точкой. Это распространяется даже на точки, лежащие за пределами наблюдаемой вселенной. Помимо прочего, такая запутанность связывает настолько крепко, что напоминает затянутый узел на шнурках малыша из детского сада. Если связь между запутанными частицами можно разорвать, то разъединить поле невозможно.

Такая сложная паутина нелокальных связей создает впечатляющие эффекты. Она позволяет проводить эксперимент с волшебными монетами, описанный в главе 1, без канители, связанной с созданием и обменом запутанными частицами. Просто выдергивайте монеты из ничего, т.е. из полей, которые уже окружают вас, и подбрасывайте их. Они будут падать орлом или решкой случайным образом, но всегда согласованно друг с другом. Для усиления эффекта можно даже экспериментировать с идеальным вакуумом, а не с видимыми частицами. Просто разместите пару измерительных приборов в поле, они зарегистрируют его остаточную случайную вибрацию, и показания будут одинаковыми. «Забудьте об эксперименте, — говорит Халворсон. — За вас его проведет Вселенная».

Как любезно с ее стороны. Но эта благотворительность не безгранична. Эксперимент провести крайне трудно, и, несмотря на различные предложения, никто так и не попытался осуществить его на практике. Одна из причин в том, что для удовлетворения полем правила микропричинности и связанных с ним условий корреляция должна быть высокоспецифичной с точки зрения места. Ситуация напоминает неравномерность работы сотового телефона у меня дома: на кухне индикатор сигнала показывает пять делений, а в столовой сигнал падает до нуля. Стоит поменять сотового оператора, и сигнал вполне может появиться в столовой, но пропасть на кухне. По аналогии измерительные приборы физика могут зарегистрировать призрачную корреляцию в первый момент, но дать нулевой результат при самом незначительном смещении. В новых местах поле по-прежнему будет запутанным, однако экспериментатору придется перейти на измерительные приборы другого типа, чтобы и дальше детектировать корреляцию. По словам Халворсона, поле «имеет эту нелокальность на всех расстояниях, но любой конкретный вид нелокальности будет затухать». Если физики смогут решить эту техническую проблему, то поля могут стать предпочтительным источником запутанности в целях квантовой криптографии и вычислений.

Запутанность полей делает возможным существование совершенно новых классов явлений. Можно установить запутанность атома с полем, а потом поля со вторым атомом. В этот момент два атома окажутся запутанными друг с другом, хотя они и не взаимодействуют напрямую. Запутанность также определяет существование вещества в других фазах помимо твердого, жидкого и газообразного состояния. Обычные фазы определяются расположением атомов и молекул: например, в кристалле они располагаются ровными рядами, а в газе распределены беспорядочно. Новые фазы организованы более сложно и подчиняются хореографии, достойной какого-нибудь индийского фильма. В этих ситуациях нелокальные эффекты не размываются с расстоянием и обеспечивают существование материалов с такими свойствами, которые когда-то казались волшебными, вроде сверхпроводимости, когда электрический ток течет без сопротивления.

До сравнительно недавнего времени большинство теоретиков считали такие явления дешевыми трюками. «Запутанность традиционно мало трогала моих коллег и меня, — рассказывает теоретик Нима Аркани-Хамед. — Непрофессионалам она нравилась — здорово, все действия происходят в других местах. Тот факт, что интерес к запутанности может окупиться нетривиальным образом, удивителен». Сейчас он считает, что запутанность полей вполне способна стать определяющей особенностью квантовой теории поля: «Правильным подходом к осмыслению квантовой теории поляможет стать представление о ней как о взаимной запутанности областей».

Возвращаясь к нашей метафоре с жидкокристаллическим телевизором, можно представить запутанность полей как множество проводников на задней части экрана, которые связывают пиксели друг с другом. Для большинства целей это неплохой образ, к тому же он позволяет представлять поле в принципе так же, как это делали Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл. Однако по большому счету он никуда не годится. Запутанность не означает координацию яркости и цвета одного пикселя с яркостью и цветом другого. Смысл ее в том, что индивидуальные пиксели фактически не имеют яркости и цвета — этими атрибутами обладают только группы запутанных пикселей. Запутанное поле обладает холистическими свойствами, которые не существуют в любом отдельно взятом месте, а заполняют все пространство.