O nouă ecuație „Einstein” sugerează că găurile de vierme dețin cheia gravitației cuantice

Există o nouă ecuație care plutește în lumea fizicii în aceste zile, care l-ar face pe Einstein mândru.

Este destul de ușor de reținut: ER=EPR.

Ai putea bănui că pentru ca această ecuație să funcționeze, P trebuie să fie egal cu 1. Dar simbolurile din această ecuație nu reprezintă numere, ci nume. E, probabil ai ghicit, înseamnă Einstein. R și P sunt inițiale – pentru colaboratorii la două dintre cele mai interesante lucrări ale lui Einstein. Combinate în această ecuație, aceste litere exprimă o posibilă cale de reconciliere a relativității generale a lui Einstein cu mecanica cuantică.

Mecanica cuantică și relativitatea generală sunt ambele teorii de succes spectaculos. Ambele prevăd fenomene bizare care sfidează concepțiile tradiționale despre realitate. Cu toate acestea, atunci când este pusă la încercare, natura respectă întotdeauna cerințele fiecărei teorii. Deoarece ambele teorii descriu natura atât de bine, este greu de explicat de ce au rezistat tuturor eforturilor de a le îmbina matematic. Cumva, cred toată lumea, trebuie să se potrivească până la urmă. Dar până acum natura a păstrat secretă forma conexiunii lor.

ER=EPR, totuși, sugerează că cheia conexiunii lor poate fi găsită în tunelurile spațiu-timp cunoscute sub numele de găuri de vierme. Aceste tuneluri, implicate de relativitatea generală a lui Einstein, ar fi ca niște scurtături subspațiale care leagă fizic locații îndepărtate. Se pare că astfel de tuneluri ar putea fi alter ego-ul legăturii misterioase dintre particulele subatomice cunoscută sub numele de încurcătură cuantică.

În ultimii 90 de ani, fizicienii au urmărit separat două probleme cuantice principale: unul, cum să interpreteze matematica cuantică pentru a înțelege ciudățenia ei (cum ar fi încâlcirea) și doi, cum să se căsătorească mecanica cuantică cu gravitația. Se dovedește, dacă ER=EPR are dreptate, că ambele întrebări au același răspuns: ciudățenia cuantică poate fi înțeleasă doar dacă înțelegeți legătura ei cu gravitația. Găurile de vierme pot crea această legătură.

Găurile de vierme sunt cunoscute din punct de vedere tehnic ca poduri Einstein-Rosen (partea „ER” a ecuației). Nathan Rosen a colaborat cu Einstein la o lucrare care îi descrie în 1935. EPR se referă la o altă lucrare publicată de Einstein cu Rosen în 1935, împreună cu Boris Podolsky. Acela a articulat puzzle-urile paradoxale ale încurcăturii cuantice despre natura realității. Timp de decenii, nimeni nu a luat în considerare în mod serios posibilitatea ca cele două lucrări să aibă vreo legătură una cu cealaltă. Dar în 2013, fizicienii Juan Maldacena și Leonard Susskind au propus că, într-un anumit sens, găurile de vierme și încurcarea descriu același lucru.

Într-o lucrare recentă, Susskind a explicat câteva dintre implicațiile acestei realizări. Printre ele: înțelegerea egalității găuri de vierme-încurcătură ar putea fi cheia fuziunii mecanicii cuantice cu relativitatea generală, că detaliile fuziunii ar explica misterul încurcăturii, că spațiu-timpul însuși ar putea ieși din încurcarea cuantică și că controversele privind modul de interpretare. mecanica cuantică ar putea fi rezolvată în acest proces.

„ER=EPR ne spune că rețeaua extrem de complicată de subsisteme încurcate care cuprinde universul este, de asemenea, o rețea extrem de complicată (și complexă din punct de vedere tehnic) de poduri Einstein-Rosen”, scrie Susskind. „Mi se pare evident că, dacă ER=EPR este adevărat, este o problemă foarte mare și trebuie să afecteze fundamentele și interpretarea mecanicii cuantice.”

Închegarea reprezintă unul dintre cele mai mari impedimente în înțelegerea fizicii cuantice. Se întâmplă, de exemplu, când două particule sunt emise dintr-o sursă comună. O descriere cuantică a unei astfel de perechi de particule vă spune șansele ca o măsurare a uneia dintre particule (să zicem, spinul său) să dea un anumit rezultat (să zicem, în sens invers acelor de ceasornic). Dar odată ce un membru al perechii a fost măsurat, știi instantaneu care va fi rezultatul când faci aceeași măsurătoare pe celălalt, indiferent cât de departe este. Einstein a refuzat la această realizare, insistând că o măsurătoare la un loc nu ar putea afecta un experiment îndepărtat (invocând celebra sa condamnare a „acțiunii înfricoșătoare la distanță”). Dar multe experimente reale au confirmat puterea încurcăturii de a sfida preferința lui Einstein. Chiar dacă (după cum a insistat Einstein) nicio informație nu poate fi trimisă instantaneu de la o particulă la alta, unul dintre ei pare să „știe” ce sa întâmplat cu partenerul său încurcat.

În mod obișnuit, fizicienii vorbesc despre încurcarea dintre două particule. Dar acesta este doar cel mai simplu exemplu. Susskind subliniază că câmpurile cuantice – materialele din care sunt făcute particulele – pot fi, de asemenea, încurcate. „În vidul unei teorii a câmpurilor cuantice, câmpurile cuantice din regiunile disjunse ale spațiului sunt încurcate”, scrie el. Are de-a face cu apariția binecunoscută (dacă bizară) a particulelor „virtuale” care ies și ies în mod constant în vid. Aceste particule apar în perechi literalmente de nicăieri; originea lor comună asigură că sunt încurcate. În scurtele lor vieți, ei se ciocnesc uneori cu particule reale, care apoi se încurcă ele însele.

Acum să presupunem că Alice și Bob, recunoscuți universal a fi cei mai capabili experimentatori cuantici imaginați vreodată, încep să colecteze aceste particule reale încurcate în vid. Alice ia un membru din fiecare pereche și Bob îl ia pe celălalt. Ei zboară separat spre tărâmuri îndepărtate ale spațiului și apoi fiecare își zdrobește particulele atât de dens încât devin o gaură neagră. Din cauza încâlcirii cu care au început aceste particule, Alice și Bob au creat acum două găuri negre încurcate. Dacă ER=EPR este corect, o gaură de vierme va lega acele găuri negre; încurcarea, prin urmare, poate fi descrisă folosind geometria găurilor de vierme. „Aceasta este o afirmație remarcabilă al cărei impact nu a fost încă apreciat”, scrie Susskind.

Și mai remarcabilă, sugerează el, este posibilitatea ca doar două particule subatomice încurcate să fie ele însele legate într-un fel de un fel de gaură de vierme cuantică. Deoarece găurile de vierme sunt contorsionări ale geometriei spațiu-timp – descrise de ecuațiile gravitaționale ale lui Einstein – identificarea lor cu întanglement cuantic ar crea o legătură între gravitație și mecanica cuantică.

În orice caz, aceste evoluții subliniază cu siguranță importanța încurcăturii pentru înțelegerea realității. În special, ER=EPR luminează dezbaterile controversate despre modul în care ar trebui interpretată mecanica cuantică. Înțelepciunea cuantică standard (interpretarea de la Copenhaga) subliniază rolul unui observator, care atunci când face o măsurătoare „prăbușește” posibilități cuantice multiple într-un singur rezultat definit. Dar interpretarea concurenței Everett (sau „multe lumi”) spune că toate posibilitățile multiple apar – orice observator se întâmplă să experimenteze doar un lanț de ramificare consistent al evenimentelor multiple posibile.

În imaginea Everett, colapsul norului de posibilități (funcția de undă) nu are loc niciodată. Interacțiunile (adică măsurători) fac doar ca entitățile care interacționează să devină încurcate. Realitatea devine, așadar, „o rețea complicată de încurcături”. În principiu, toate acele evenimente încurcatoare ar putea fi inversate, așa că nimic nu se prăbușește vreodată – sau cel puțin ar fi înșelător să spunem că colapsul este ireversibil. Cu toate acestea, viziunea standard a colapsului ireversibil funcționează destul de bine în practică. Nu este niciodată fezabil să anulați multitudinea de interacțiuni complexe care apar în viața reală. Cu alte cuvinte, spune Susskind, ER=EPR sugerează că cele două puncte de vedere ale realității cuantice sunt „complementare”.

Susskind continuă să exploreze în detaliu tehnic modul în care funcționează încurcarea cu mai mulți participanți și descrie implicațiile pentru a considera că încurcarea este echivalentă cu o gaură de vierme. Rămâne sigur, de exemplu, că găurile de vierme nu pot fi folosite pentru a trimite un semnal prin spațiu mai repede decât lumina. Alice și Bob nu pot, de exemplu, să își trimită mesaje unul altuia prin gaura de vierme care le conectează găurile negre. Dacă chiar vor să vorbească, totuși, ar putea să sară fiecare în gaura lui neagră și să se întâlnească în mijlocul găurii de vierme. O astfel de întâlnire ar oferi o confirmare puternică pentru ideea ER=EPR, deși Alice și Bob ar avea probleme la publicarea lucrării lor despre aceasta.

Între timp, apar multe lucrări despre ER=EPR și alte lucrări care leagă gravitația — geometria spațiu-timpului — cu întanglementul cuantic. Într-o lucrare recentă, fizicienii de la Caltech ChunJun Cao, Sean M. Carroll și Spyridon Michalakis încearcă să arate cum spațiu-timpul poate fi „construit” din vasta rețea de încâlcire cuantică în vid. „În această lucrare, luăm pași pentru a obține existența și proprietățile spațiului însuși dintr-o descriere intrinsec cuantică folosind încheiere”, scriu ei. Ele arată cum schimbările în „stările cuantice” – descrierile pur cuantice ale realității – pot fi legate de schimbările în geometria spațiu-timpului. „În acest sens”, spun ei, „gravitația pare să apară din mecanica cuantică într-un mod natural.”

Cao, Carroll și Michalakis recunosc că abordarea lor rămâne incompletă, conținând ipoteze care vor trebui verificate ulterior. „Ceea ce am făcut aici este extrem de preliminar și conjectural”, scrie Carroll într-o postare recentă pe blog. „Nu avem o teorie completă a nimicului și chiar și ceea ce avem implică multe speculații și calcule nu sunt încă suficient de riguroase.”

Cu toate acestea, există un sentiment clar printre mulți fizicieni că se pare că s-a deschis o cale către unificarea mecanicii cuantice și gravitația. Dacă este calea corectă, notează Carroll, atunci se dovedește a nu fi deloc greu să obții gravitația din mecanica cuantică – este „automat”. Și Susskind crede că calea către gravitația cuantică – prin gaura de vierme – demonstrează că unitatea celor două teorii este mai profundă decât bănuiau oamenii de știință. Implicația ER=EPR, spune el, este că „mecanica cuantică și gravitația sunt mult mai strâns legate decât ne-am imaginat noi (sau cel puțin eu)”.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried