Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Самое классное в квантовых состояниях – возможность напрямую их складывать (в виде суперпозиций), получая новые состояния. Итак, давайте соберем новое квантовое состояние, сложив все наши мгновенные снимки. Это новое квантовое состояние не развивается во времени: оно просто существует в том виде, в каком мы собрали его вручную. Часы не показывают никакого конкретного времени, а находятся в суперпозиции всех моментов времени, в которые делались эти снимки. Не слишком похоже на наш мир.

Но здесь есть один нюанс: внутри этой суперпозиции всех мгновенных снимков состояние часов запутано с состоянием остальной системы. Если мы пронаблюдаем состояние часов и увидим, что они показывают конкретное время, то оставшаяся часть Вселенной окажется зафиксирована именно в том состоянии, в котором оказалась наша исходная система именно в тот момент времени:

Ψ = (система в момент t = 0, часы = 0)

+ (система в момент t = 1, часы = 1)

+ (система в момент t = 2, часы = 2)

+…

Иными словами, «на самом деле» в состоянии суперпозиции нет времени, это состояние полностью статично. Но из-за запутанности возникает взаимосвязь того, что показывают часы, и того, что происходит во всей остальной Вселенной. Причем состояние остальной Вселенной оказывается в точности таким, как если бы она развивалась из исходного состояния с течением времени. Мы заменили фундаментальный феномен «время» на формулировку «то, что показывают часы в этой части общей квантовой суперпозиции». Таким образом, время проявилось из статического состояния благодаря «магии» запутанности.

Остается невыясненным, на самом ли деле энергия Вселенной равна нулю и, следовательно, время эмерджентно или же она не равна нулю, и тогда время фундаментально. В нынешней ситуации целесообразно считать оба варианта возможными и исследовать как первый, так и второй.

14 За пределами пространства и времени Голография, черные дыры и пределы локальности

До своей смерти в 2018 году Стивен Хокинг был самым известным из ныне живущих ученых с хорошим отрывом от конкурентов. Такой известностью он пользовался совершенно заслуженно – Хокинг не только был харизматичной и влиятельной публичной фигурой с вдохновляющей биографией, но и сделал невероятно значительный вклад в науку.

Величайшее достижение Хокинга заключалось в том, что ему удалось продемонстрировать, что с учетом эффектов квантовой гравитации черные дыры оказываются «не такими уж черными», как он любил говаривать. На самом деле черная дыра непрерывно испускает в пространство частицы, и эти частицы уносят ее энергию, вследствие чего черная дыра уменьшается в размерах. Осознание этого факта привело одновременно и к глубоким открытиям (у черных дыр есть энтропия), и к нежданным загадкам (куда уходит информация, когда черная дыра сначала образуется, а затем испаряется?).

Черные дыры испускают излучение. Причем, те выводы, которые следуют из этой удивительной идеи, – наилучшая из имеющихся у нас подсказок о природе квантовой гравитации. Не подумайте, что Хокинг соорудил сначала полную теорию квантовой гравитации, а затем, воспользовавшись ею, продемонстрировал, что черные дыры излучают. Нет, он применил разумное приближение, считая само пространство-время классическим и расположив поверх него динамические квантовые поля. Тем не менее мы надеемся, что такое приближение вполне справедливо. Хотя некоторые загадочные аспекты, обнаруженные Хокингом, заставляют в этом усомниться. Через сорок пять лет после публикации первой статьи Хокинга на эту тему попытки осмыслить излучение черных дыр остаются одним из самых активных направлений в современной теоретической физике.

Тогда как до решения этой задачи еще далеко, один вывод кажется ясным: простая картина, которую мы набросали в предыдущей главе и согласно которой пространство появляется из набора запутанных ближайших степеней свободы, – это, вероятно, еще не вся история. Это очень хорошая история, и, наверное, она хороша в качестве исходной позиции для создания теории квантовой гравитации. Но она слишком серьезно полагается на идею локальности – все, что происходит в некоторой точке пространства, может непосредственно воздействовать лишь на точки, расположенные в непосредственной близости. Черные дыры, насколько мы их понимаем, указывают на то, что природа устроена тоньше. В некоторых ситуациях мир выглядит как совокупность степеней свободы, взаимодействующих только со своими ближайшими соседями, но когда гравитация усиливается, эта простая картина рассыпается. Тогда степени свободы не распределяются в пространстве, а «втискиваются» на общую поверхность, и «пространство» оказывается лишь голографической проекцией информации, содержащейся внутри черной дыры.