Квантовой запутанности отвели большую роль в образовании пространства-времени

Пространство-времяГруппа физиков и математик сделали значительный шаг в сторону объединения общей теории относительности и квантовой механики, объясняя, как пространство-время вытекает из квантовой запутанности в более фундаментальную теорию. Работа Хироси Оогури из Токийского университета Кавли, математика Матильды Марколли и аспирантов Дженнифер Лин и Богдана Стойка была опубликована в Physical Review Letters.

Физики и математики давно ищут «теорию всего», которая должна объединить общую теорию относительности и квантовую механику. Общая теория относительности объясняет гравитацию и крупномасштабные явления вроде динамики звезд и галактик во Вселенной, а квантовая механика объясняет микроскопические явления, происходящие на субатомных и молекулярных масштабах.

Голографический принцип широко рассматривается в качестве важнейшего признака успешной «теории всего». Согласно этому принципу, гравитация в трехмерном объеме может быть описана квантовой механикой на двумерной поверхности, окружающей этот объем. В частности, три измерения этого объема должны вытекать из двумерных измерений поверхности. Тем не менее понимание точной механики появления объема из поверхности оставалось неуловимым.

Оогури и его коллеги обнаружили, что квантовая запутанность является ключом к решению этого вопроса. Используя квантовую теорию (которая не включает гравитацию), они показали, как вычислить плотность энергии, которая является источником гравитационных взаимодействий в трех измерениях, используя данные о квантовой запутанности на поверхности.

Это аналогично диагностике условий внутри вашего тела по рентгеновским двумерным снимкам. Такой подход позволил ученым интерпретировать универсальные свойства квантовой запутанности как условия плотности энергии, которые должны удовлетворить любой последовательной квантовой теории гравитации, не включая собственно гравитацию в теорию. Важность квантовой запутанности в этом вопросе уже неоднократно подчеркивалась раньше, но ее точная роль в образовании пространства-времени не была ясна до публикации работы Оогури и его коллег.

Пространство-время

Гравитация в нашем трехмерном мире и проекция данных на двумерной поверхности

Квантовая запутанность — это явление, когда квантовые состояния, вроде спина или поляризации частиц, частиц в разных местах не могут быть описаны независимо. Измерение (а значит, и воздействие) одной частицы также должно влиять на другую, и это явление сам Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». Работа Оогури и его коллег показывает, что квантовая запутанность создает дополнительные измерения гравитационной теории.

«Было известно, что квантовая запутанность глубоко связана с вопросами объединения ОТО и квантовой механики, вроде парадокса информации черной дыры и парадокса файрвола, — говорит Хироси Оогури. — Наша работа проливает новый свет на отношения квантовой запутанности с микроскопической структурой пространства-времени путем точных расчетов. Связь между квантовой гравитацией и информационной наукой становится невероятно важной для обеих сфер. Надеюсь, дальнейшие исследования будут весьма плодотворными».