Лестница Шильда

[Страничка эта последнее время не обновляется, но многие ссылки актуальны. Доступный начинающим обзор публикаций, вышедших после написания «Лестницы Шильда», можно почерпнуть в лекциях по квантовой гравитации, прочитанных Ли Смолиным в 2011 г. на Закопанской конференции: http: //arxiv.org/

За десять лет, минувших после выхода в свет «Лестницы Шильда», в петлевой квантовой гравитации и геометрической физике наметился определенный прогресс в исследованиях пространств с множественными взаимодействующими вакуумными состояниями и влияния декогеренции на космологические процессы в крупномасштабной структуре Вселенной. Многие предсказания и гипотезы, сформулированные Иганом, в этих работах нашли превосходное подтверждение.

Наибольший интерес в контексте романа представляет эффект подавления или даже полной блокировки распада «ложного» вакуума декогеренцией. Напомню, что в «Лестнице Шильда» представлена необычная точка зрения на эти процессы: роль «ложного», метастабильного вакуума играет наш собственный, в который погружено все вещество в известной Вселенной.

Как отметил в гл. 7 Тарек, наш вакуум до получения на Станции Мимоза нововакуума сохранял кажущуюся стабильность за счет постоянной декогеренции по образцу квантового эффекта Зенона. Математическое описание этих процессов не особенно сложно, однако дальнейшее изложение все же рассчитано на читателей с хорошим уровнем математической подготовки. При первом знакомстве с книгой этот раздел можно пропустить и вернуться к нему на досуге, если вам покажется необходимым получить более глубокое представление о физике вселенной «Лестницы Шильда».

Рассмотрим модельную двухуровневую систему с детектором. Предположим, что вначале детектор и система не коррелируют:

|ψ] = |ψ_in]_detect × |ψ_sys.

гамильтониан взаимодействия приведен к базису

{|↑]_sys, {|↓]_sys }

После эволюции, которую претерпевают система и детектор, получаем:

|↑]_sys|ψ_in]_detect → |↑]_sys|ψ↑]_detect

|↓]_sys|ψ_in]_detect → |↓]_sys|ψ↓]_detect

В предположении, что первоначально двухуровневая система находилась в состоянии когерентной суперпозиции, можно показать, что, как только детектор пооизводит наблюдение над системой (то есть обращает |[ψ↑|ψ↓]| в 0), волновая функция коллапсирует в одно из собственных состояний () гамильтониана взаимодействия. Определим фактор декогеренции соотношением

r_dec = [ψ↑|ψ↓].

Если система постоянно запутана с каким-либо квантовым объектом, когерентность ее полностью утрачивается. На этом основан квантовый эффект Зенона.

Рассмотрим эволюцию системы из состояния ψ₁ в состояние ψ₂ путем квантового туннелирования (в романе этому соответствует прыжок сквозь Барьер). Заставим систему взаимодействовать с первоначально некоррелированным с нею окружением. Пусть скорость туннелирования составляет Ξ, тогда для времени переходного процесса t <<1/Ξ система описывается гамильтонианом

Ĥ = €σ_z^sys + Ξσ_x^sys + Ĥ_env + Ĥ_int

Напомню, что предпочтительный базис окружения таков, что ψ₁, ψ₂ — собственные состояния гамильтониана. Вероятность распада состояния при t<<1/Ξ зависит от времени примерно квадратично:

Pr_decay(t) = sin²(Ξt) = Ξ²t²

Но оказывается, что для малых вероятность распада системы путем перехода из состояния ψ₁ в состояние ψ₂ при эволюции волновой функции по закону

|ψ(t)₀^sys = |ψ₁] — iΞt|ψ₂] + O(Ξ²t²)

составляет:

Pr_decay(t) = 2Ξ² INT₀^t dťťRe[r(ť)] + O(Ξ⁴t⁴)

Когда когерентность полностью теряется, вероятность туннелирования перестает возрастать. Этот процесс довольно сложен. Во-первых, окружение может сдвинуть уровни энергии системы и повлиять на скорость туннелирования. Во-вторых, сам фактор декогеренции изменяется по фазе во времени, и вероятность туннелирования вместе с ним (даже при отсутствии запутывания). И, наконец, даже если окружение взаимодействует с системой настолько слабо, что уровни энергии не претерпевают сдвига, утечка информации из системы все равно происходит, она запутывается с окружением, и это уменьшает фактор декогеренции. Таким образом и растет вероятность замораживания системы в определенном состоянии: наблюдается квантовый эффект Зенона. Это заключение справедливо и для измерений с периодом 1/Ξ, когда основным законом убывания фактора декогеренции со временем становится зависимость вида exp (- Ξ t).