Dlaczego coraz więcej fizyków zaczyna myśleć, że przestrzeń i czas to „iluzja”

W grudniu ubiegłego roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano za eksperymentalne potwierdzenie znanego od ponad 80 lat zjawiska kwantowego: splątania. Zgodnie z koncepcją Alberta Einsteina i jego współpracowników w 1935 r. obiekty kwantowe mogą być w tajemniczy sposób powiązane, nawet jeśli dzieli je duża odległość. Ale jakkolwiek dziwacznie brzmi to zjawisko, dlaczego ta starożytna idea wciąż zasługuje na najbardziej prestiżową nagrodę w fizyce?

Przypadkowo, zaledwie kilka tygodni przed uhonorowaniem ostatnich laureatów Nagrody Nobla w Sztokholmie, inny zespół wybitnych naukowców z Harvardu, MIT, Caltech, Fermilab i Google poinformował, że uruchomił proces na komputerze kwantowym Google, który może wyjaśnić tunel czasoprzestrzenny. . Tunele czasoprzestrzenne to tunele we wszechświecie, które mogą działać jako skróty w przestrzeni i czasie i są uwielbiane przez fanów science fiction. Chociaż tunel zrealizowany w tym ostatnim eksperymencie istnieje tylko w grze z uniwersum 2D, może być przełomem dla przyszłych badań w czołówce fizyki. .

Ale dlaczego splątanie jest związane z przestrzenią i czasem? I jak może to być ważne dla przyszłych przełomów w fizyce? Pojęcie splątania, właściwie rozumiane, oznacza, że ​​wszechświat jest „monometryczny”, jak nazywają to filozofowie, i że wszystko we wszechświecie, na podstawowym poziomie, jest częścią jednej zunifikowanej całości. Charakterystyczną cechą mechaniki kwantowej jest to, że jej podstawowa rzeczywistość jest opisana w kategoriach falowych, a wszechświat monadyczny wymaga funkcji globalnej. Kilkadziesiąt lat temu badacze tacy jak Hugh Everett i Dieter Zeh pokazali, w jaki sposób rzeczywistość naszego codziennego życia może wyłonić się z tak wszechstronnego opisu mechaniki kwantowej. Ale dopiero teraz naukowcy tacy jak Leonard Susskind czy Sean Carroll opracowują pomysły dotyczące tego, jak ta ukryta rzeczywistość kwantowa może wyjaśniać nie tylko materię, ale także samą strukturę przestrzeni i czasu.

Splątanie to znacznie więcej niż tylko kolejne dziwne zjawisko kwantowe. Jest to zasada działania stojąca zarówno za tym, dlaczego mechanika kwantowa łączy świat w jeden, jak i za tym, dlaczego doświadczamy tej fundamentalnej jedności jako wielu oddzielnych rzeczy. Jednocześnie uwikłanie sprawia, że ​​wydaje się, że żyjemy w klasycznej rzeczywistości. Jest – w dosłownym znaczeniu tego słowa – spoiwem i twórcą światów. Splątanie odnosi się do obiektów składających się z dwóch lub więcej elementów i opisuje, co się dzieje, gdy zasada kwantowa, że ​​„wszystko, co może się naprawdę wydarzyć”, zostanie zastosowana do tych obiektów składowych. W związku z tym stan splątania jest superpozycją wszystkich możliwych kombinacji, w których składniki obiektu składowego mogą dawać ten sam ogólny wynik. Ponownie, to falista natura pola kwantowego może pomóc wyjaśnić, jak faktycznie działa splątanie.

Wyobraź sobie idealnie spokojne morze szkła w burzliwy dzień. Teraz zadaj sobie pytanie, w jaki sposób można uzyskać taki poziom, nakładając na siebie dwa indywidualne wzorce fal? Jedną z możliwości jest to, że nałożenie dwóch idealnie płaskich powierzchni ponownie prowadzi do idealnie płaskiego wyniku. Ale inną możliwością, że może powstać płaska powierzchnia, jest nałożenie na siebie dwóch identycznych wzorów fal w półcyklu oscylacji, tak że grzbiety fal jednego wzoru eliminują doliny fal drugiego i odwrotnie. Gdybyśmy tylko obserwowali obwód ciała szklistego, ponieważ jest on wynikiem dwóch wybrzuszeń razem, nie bylibyśmy w stanie określić wzorów poszczególnych wybrzuszeń. To, co wydaje się zupełnie zwyczajne, gdy mówimy o falach, ma jeszcze bardziej dziwaczne konsekwencje, gdy stosuje się je do konkurencyjnych rzeczywistości. Jeśli twój sąsiad mówi ci, że ma dwa koty, jeden żywy, a drugi martwy, oznacza to, że odpowiednio pierwszy lub drugi kot jest martwy, a drugi kot żyje – byłby to dziwny i przerażający sposób opisywania zwierząt domowych i możesz nie wiedzieć, który z nich jest tym szczęśliwym, ale trafisz na dryf sąsiada. Inaczej w sferze kwantowej. W mechanice kwantowej to samo stwierdzenie wskazuje, że dwa koty połączyły się w superpozycję stanów, w tym pierwszy kot żyje, a drugi nie żyje, a pierwszy kot jest martwy, podczas gdy drugi żyje, ale także możliwości, w których oba koty są w połowie żywy i na wpół martwy, lub że pierwszy kot to jedna trzecia z nich żyje, podczas gdy drugie koty stanowią dwie trzecie utraconego życia. W ilościowej parze kotów losy i okoliczności poszczególnych zwierząt całkowicie zanikają w przypadku całości. Podobnie we wszechświecie kwantowym nie ma pojedynczych obiektów. Wszystko, co istnieje, łączy się w jedno „jedno”.

Splątanie kwantowe ujawnia zupełnie nowy, rozległy obszar do zbadania. Definiuje nowy fundament dla nauki i stawia nasze poszukiwania teorii wszystkiego na głowie – opiera się na kosmologii kwantowej, a nie na fizyce cząstek elementarnych czy teorii strun. Ale jak realistyczne jest dla fizyków takie podejście? Co zaskakujące, nie jest to po prostu realistyczne – faktycznie tak jest. Naukowcy stojący na czele grawitacji kwantowej zaczynają na nowo myśleć o czasoprzestrzeni jako konsekwencji splątania. Coraz więcej naukowców opiera swoje badania na nierozłączności wszechświata. Nadzieje są duże, że przyjmując takie podejście, mogą w końcu dojść do prawdziwego zrozumienia przestrzeni i czasu, w głębi jego podstaw.

Niezależnie od tego, czy przestrzeń jest spajana przez splątanie, czy fizyka jest opisywana przez abstrakcyjne obiekty poza przestrzenią i czasem, czy przestrzeń możliwości reprezentowana przez uniwersalną funkcję falową Everetta, czy też wszystko we wszechświecie sprowadza się do pojedynczego obiektu kwantowego — wszystkie te idee mają charakterystyczny smak monizmu. Obecnie trudno jest ocenić, które z tych idei będą kształtować przyszłość fizyki, a które ostatecznie wymrą. Co ciekawe, chociaż idee te zostały pierwotnie opracowane w kontekście teorii strun, wydaje się, że wyrosły z teorii strun, a struny nie odgrywają już roli w najnowszych badaniach. Obecnie wydaje się, że wspólnym wątkiem jest to, że przestrzeń i czas nie są już istotne. Współczesna fizyka nie zaczyna się od przestrzeni i czasu, aby kontynuować rzeczy ułożone na tym wcześniej istniejącym tle. Zamiast tego przestrzeń i czas postrzegają siebie jako produkty bardziej fundamentalnej rzeczywistości projekcyjnej. Nathan Cyberg, pionier teorii strun w Instytucie Studiów Zaawansowanych w Princeton, nie jest osamotniony w swoich odczuciach, kiedy mówi: „Jestem prawie pewien, że przestrzeń i czas to iluzje. To prymitywne koncepcje, które zostaną zastąpione przez coś bardziej złożonego”. Co więcej, w większości scenariuszy, które proponują wyłaniające się czasoprzestrzeń, splątanie odgrywa główną rolę. Jak wskazuje filozof nauki Rasmus Yaxland, ostatecznie oznacza to, że we wszechświecie nie ma już pojedynczych obiektów; Że wszystko jest połączone ze wszystkim innym: „Przyjmowanie splątania tak, jak świat tworzy relacje, wiąże się z ceną rezygnacji z możliwości rozdzielenia. Ale być może ci, którzy chcą zrobić ten krok, powinni spojrzeć na splątanie w poszukiwaniu podstawowej relacji, dzięki której ukształtuje ten świat (i być może cały inny świat) potencjał).” Tak więc, kiedy przestrzeń i czas znikają, pojawia się zjednoczony.

Wręcz przeciwnie, z perspektywy monizmu kwantowego takie oszałamiające konsekwencje kwantowej grawitacji nie są odległe. Już w ogólnej teorii względności Einsteina przestrzeń nie jest już fazą stacjonarną. Jest raczej źródłem mas materii i jej energii. Podobnie jak pogląd niemieckiego filozofa Gottfrieda W. Leibniza, opisuje względny porządek rzeczy. Jeśli teraz, zgodnie z jednostką ilościową, została już tylko jedna rzecz, to nie ma już nic do uporządkowania czy uporządkowania, aw końcu pojęcie przestrzeni na tym podstawowym poziomie opisu nie jest już potrzebne. Jest „Jedynym”, pojedynczym wszechświatem kwantowym, który daje początek przestrzeni, czasowi i materii.

„GR = QM”, odważnie twierdził Leonard Susskind w liście otwartym do badaczy informatyki kwantowej: Ogólna teoria względności to nic innego jak mechanika kwantowa — stuletnia teoria, która była stosowana z wielkim powodzeniem do wszelkiego rodzaju rzeczy, ale nigdy naprawdę był. Całkowicie zrozumiałe. Jak zauważa Sean Carroll: „Prawdopodobnie źle oszacowano grawitację, a czasoprzestrzeń czaiła się w mechanice kwantowej przez cały czas”. Na przyszłość, „zamiast ilościowego określania grawitacji, być może powinniśmy spróbować określić ilościowo mechanikę kwantową. Albo, dokładniej, ale mniej ekscytująco, „znaleźć grawitację wewnątrz mechaniki kwantowej”, sugeruje Carroll na swoim blogu. Quantum poważnie od samego początku, jeśli jest rozumiane jako teoria, która nie występuje w czasie i przestrzeni, ale w bardziej fundamentalnej rzeczywistości urządzenia wyświetlającego, można by uniknąć wielu ślepych zaułków w eksploracji grawitacji kwantowej. Gdybyśmy zaakceptowali monistyczne efekty mechaniki kwantowej – Dziedzictwo trój- tysiącletnia filozofia przyjęta w starożytności, prześladowana w średniowieczu, odrodzona w renesansie, majsterkowana w romantyzmie – wczesny Everett i Zee raczej odwoływaliby się do nich, niż trzymali się interpretacji wpływowego pioniera kwantowego Nielsa Bohra, który ucinał jego mechaniki.Kwant w narzędzie, będziemy na najlepszej drodze do wyjaśnienia samych podstaw rzeczywistości.

Przyjęty z Po pierwsze: jak starożytna idea trzyma przyszłość fizyki przez Heinricha Bassa. Copyright © 2023. Dostępne w Basic Books, wydawnictwie Hachette Book Group, Inc. Wszelkie prawa zastrzeżone.