Самый своевременный, на мой взгляд, мультик. Квантовая физика наглядно!
Физики-теоретики обнаружили связь между кротовыми норами в пространстве-времени и явлением квантовой запутанности. Возможно, их открытие — шаг на пути к одной из величайших целей теоретической физики: примирить квантовую механику с общей теорией относительности Эйнштейна.
Квантовая запутанность связывает частицы таким образом, что манипуляции с одной из них могут мгновенно отразиться на другой, как бы далеко она не находилась. При этом, согласно странным законам квантового мира, каждая из частиц может находиться в одном из двух противоположных состояний — или в обоих одновременно. Так, проекция спина элементарной частицы на заданное направление может быть положительной, отрицательной, либо находиться в суперпозиции этих состояний — быть и положительной, и отрицательной одновременно, пока попытка измерить спин не приведет к коллапсу волновой функции (переходу к одному из двух направлений). Если речь идет о паре квантово запутанных частиц, измерение спина одной из них (допустим, его проекция оказалась положительной) немедленно приведет к тому, что вторая частица перейдет из суперпозиции двух возможных состояний в состояние с определенным спином (его проекция будет отрицательной). Это произойдет мгновенно, даже если частицы будут находиться во многих световых годах друг от друга.
Кротовые норы — это топологические особенности пространства-времени, описанные в рамках ОТО. Предполагается, что массивные объекты деформируют ткань пространства-времени, создавая эффект гравитации. Если масса объекта очень велика, создаваемая им «яма» в пространстве-времени будет настолько глубока, что даже свет не сможет покинуть её — образуется черная дыра. Теоретически, при соединении двух черных дыр «спина к спине» эти «ямы» могут слиться в тоннель, пронизывающий пространство-время — кротовую нору.
На первый взгляд, как явление квантовой запутанности, так и кротовые норы предлагают заманчивую возможность обойти ограничение ОТО, согласно которому ни один материальный объект не может двигаться быстрее света. Но на самом деле использовать квантовую запутанность для передачи информации быстрее скорости света нельзя, так как невозможно повлиять на то, в каком именно состоянии окажется частица-«передатчик» после проведенного измерения, а значит, невозможно и целенаправленно задать требуемое состояние частицы-«приемника». Точно также невозможно и проскользнуть сквозь кротовую нору, поскольку ничто не сможет покинуть черную дыру, расположенную на её противоположном конце.
В июне 2013 года физики-теоретики Хуан Малдасена из Института перспективных исследований в Принстоне (США) и Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (США), показали, что между парой квантово запутанных черных дыр формируется кротовая нора. А теперь две независимых группы ученых утверждают, что для формирования кротовой норы вовсе не нужны столь массивные объекты — она может протянуться между двумя квантово запутанными кварками.
Кристан Дженсен из Университета Виктории (Канада) и Андреас Карч из Университета Вашингтона (США), описали квантово запутанную пару, состоящую из кварка и антикварка, которые мчатся прочь друг от друга с околосветовыми скоростями, что делает невозможной передачу сигналов от одного к другому. Исследователи полагают, что трехмерное пространство, в котором движутся кварки — это гипотетическая грань четырехмерного мира. В 3D-пространстве квантово запутанные частицы соединены своего рода «струной». А в 4D-пространстве эта «струна» становится кротовой норой.
Джулиан Соннер из Массачусетского технологического института (США) представил квантово-запутанную пару кварк-антикварк, рождающуюся в сильном электрическом поле, которое разлучает противоположно заряженные частицы, заставляя их ускоренно двигаться в разных направлениях. Соннер также пришел к выводу, что частицы, квантово запутанные в трехмерном пространстве, будут соединены кротовой норой в четырехмерном.
При расчетах физики использовали так называемый голографический принцип — концепцию, согласно которой вся физика n-мерного мира в полной мере отражается на его «гранях» с количеством измерений (n-1). При таком «проецировании» квантовая теория, учитывающая эффекты гравитации в четырехмерном пространстве, эквивалентна квантовой теории «без гравитации» в трехмерном. Другими словами, черные дыры в 4D-пространстве и кротовая нора между ними математически эквивалентны их трехмерной голографической проекции. «Запутанность и кротовая нора не существуют в одном и том же пространстве, однако математически они эквивалентны», — поясняет Карч.
Сасскинд и Малдасена обращают внимание, что в обеих новых работах изначальные квантовые частицы рассматриваются в рамках моделей, не учитывающих влияние гравитации. В упрощенной, «безгравитационной» модели нашего мира не может быть никаких черных дыр и кротовых нор, поэтому связь квантовой запутанности с кротовой норой остается лишь математической аналогией. Их эквивалентность «имеет смысл только в теории с гравитацией», говорит Сасскинд. Однако Карч считает, что даже их упрощенная модель «дает вполне определенное представление о том, что кротовые норы и квантовая запутанность могут быть различными проявлениями одной и той же физической реальности».
Оказывается и такое привычное всем явление, как навигация у птиц, описывается законами квантовой механики: свежая статья греческих учёных, исследующая эту возможность, выложена в открытый доступ на сайте ArXiv.org (Emily Fox/Deviantart.com).
Квантовая механика уже достаточно глубоко проникла в смежные научные области. В попытке объяснить в терминах квантовой теории саму жизнь она даже породила свою собственную биологию. Но до сих пор никто не решался прямо утверждать, что эффект запутанности лежит в самой сердцевине живых существ – внутри спирали ДНК.
Новорождённая квантовая биология официально не признана научной дисциплиной. Однако она уже превратилась в одну из самых интересных и захватывающих областей передовых исследований. Например, раскрывающих важную роль квантовых эффектов в ряде биологических процессов, как в фотосинтезе. Новое исследование провела группа физиков из Национального университета Сингапура. Элизабет Рипер и её коллеги исходили из того, что двойная спираль ДНК не распадается именно благодаря принципу квантовой запутанности (сцепленности).
Чтобы проверить свою смелую теорию, учёные построили упрощённую теоретическую модель ДНК на компьютере. В ней каждый нуклеотид состоит из облака электронов вокруг центрального положительно заряженного ядра. Это «негативное» облако может двигаться относительно ядра, создавая диполь. При этом смещение облака туда и обратно приводит к образованию гармонического осциллятора.
Рипер с коллегами заинтересовались, что же произойдёт с колебаниями облаков (фононами), когда пары оснований создадут двойную спираль ДНК. По мнению учёных, при формировании пар нуклеотидов их объединённые облака теоретически должны колебаться в противоположном направлении с облаком от соседней пары, чтобы обеспечить стабильность всей структуры.
Поскольку фононы, по сути, являются квантовыми объектами, они могут существовать в виде суперпозиции состояний и умеют «запутываться». Учёные начали с того, что предположили отсутствие любых тепловых эффектов, влияющих на спираль извне. «Очевидно, что цепочки попарно связанных гармонических осцилляторов могут быть запутаны лишь при нулевой температуре», – говорит Рипер.
В своей пока неопубликованной научными изданиями статье физики приводят доказательство, что эффект запутывания в принципе, может возникнуть и при комнатной температуре.
А возможно это потому, что длина волны у описанных фононов близка к размерам спирали ДНК. Это позволяет формироваться так называемым стоячим волнам (феномен, известный как фононный захват). После этого фононы не могут «сбежать».
Данный эффект не будет иметь особенного значения для гигантской молекулы, если только он не распространяется на всю спираль. Однако компьютерное моделирование, проведённое Рипер со товарищи, демонстрирует – эффект и вправду колоссален.
Каждое электронное облако в паре оснований не просто колеблется согласованно с движениями соседей— фононы при этом находятся в суперпозиции состояний.
А общая картина всех таких колебаний в ДНК описывается квантовыми законами: вдоль всей цепочки нуклеотиды-осцилляторы колеблются синхронно – это проявление квантовой сцепленности. Общее же движение спирали оказывается равным нулю.
Если пытаться описать эту модель исключительно в рамках классической физики, то ничего из перечисленного произойти не сможет: «классическая» спираль должна хаотично вибрировать и распадаться на части.
По мнению исследователей, именно квантовые эффекты ответственны за «склеивание» ДНК. Но, как и в случае с теорией космической ряби – амбициозной «сестрой-близнецом» нынешней работы (правда, занятой объектами макромира), – главный вопрос не оригинален: как этот вывод доказать?
Ответа пока нет. Команда Рипер в конце своей статьи интригует мыслью о том, что запутывание каким-то образом напрямую влияет на способ «считывания» информации из ДНК. Дескать, в будущем это удастся проверить и использовать экспериментально. Как именно – пока никто даже не предполагает.
Несмотря на некоторую долю спекулятивности, выдвинутое физиками предположение взбудоражило многие умы. Ведь квантовые эффекты уже находили в самых неожиданных местах, например в электрической цепи, но пока никто не замахивался на претензии такого масштаба – микроскопического и в то же время невероятно важного.
В свете изложенного, тратящий массу сил на запутывание нескольких кубитов в твёрдом теле человек выглядит забавно, поскольку не подозревает, что самым ярким примером такой системы является он сам.
Источник: membrana