Чтобы справиться с квантовой теорией, ученые заглянули по ту сторону пространства и времени

Физики предложили эксперимент, которые может помочь нам сделать выбор между крайностями, чтобы описать поведение вселенной.

Предположение сделали ученые из Швейцарии, Бельгии, Испании и Сингапура. Результаты опубликованы в издании Nature Physics. Работа основана на том, что ученые называют «скрытым неравенством влияния». Она показывает, как квантовые прогнозы бросают вызов нашему лучшему пониманию свойств пространства и времени, теории относительности Эйнштейна.

„Мы заинтересованы тем, можно ли объяснить пугающие явления, которые мы наблюдаем, не жертвуя смыслом вещей, происходящих в пространстве и времени“, сказал один из исследователей Жан-Даниэль Банкал, один из исследователей, которые провели исследователи из университета Женевы (Швейцария).

Удивительно, но есть реальная перспектива выполнения этого теста.

Значения квантовой теории беспокоили физиков с момента ее изобретения в начале 20 века. Проблема в том, что квантовая теория прогнозирует причудливое поведение частиц, такое как сцепленность, когда две частицы ведут себя одинаково и взаимосвязано, даже если расположены далеко друг от друга. Это нарушает наше понимание причины и следствия в пространстве и времени. Физики называют такое поведение „нелокальным“.

Именно Эйнштейн впервые привлек внимание к тому, что он назвал „призрачным действием на расстоянии“, предсказанным квантовой механикой. Ученые предположили, что, во-первых, идентичное поведение частиц может быть подстроено заранее, либо все дело в сигнале между частицами.

В 1960-х Джон Белл придумал первый тест, чтобы понять, насколько сцепленные частицы соответствуют здравому смыслу. В частности, тест „неравенства Белла“ проверяет, основано ли поведение двух частиц на предшествующих измерениях. Если измерения нарушают неравенство, пары частиц делают то, о чем гласит квантовая теория: действуют без каких-либо „локальных скрытых переменных, определяющих их судьбу. Стартовав в 1980-х, эксперименты снова и снова находили нарушения „неравенств Белла“.

Казалось, квантовая теория победила. Однако обычные тесты неравенств Белла никогда не могут полностью убить надежду на здравый смысл, включая сигналы, которые не исключают принципы относительности. Именно потому ученые намереваются разработать новое неравенство, которое непосредственно исследовало бы роль сигналов.

Эксперименты уже показали, что если есть желание объяснить положение вещей, основываясь на сигналах, они должны двигаться быстрее света — со скоростью, большей скорости света в 10000 раз. Тем, кто знает, что относительность Эйнштейна устанавливает скорость света как универсальный предел скорости, идея сигналов, путешествующих со скоростью в 10000 раз больше скорости света, запускает сигнал тревоги. Однако у физиков есть еще одно решение: такие сигналы могут пребывать как «скрытые влияния“ — негодные ни для какого употребления, и потому не нарушающие относительность. Если только сигналы могут использоваться для коммуникаций со скоростью выше световой, они открыто противоречат относительности.

Новое неравенство скрытого влияния показало, что это решение не работает, когда дело касается квантовых прогнозов. Чтобы получить неравенство, которое производит измерение сцепленности между четырьмя частицами, ученые рассмотрели, какие поведения возможны для четырех частиц, которые связаны скрытыми влияниями и путешествуют на некоторой произвольной конечной скорости.

Математически эти ограничения описывают 80-мерный объект. Тестируемое скрытое влияние — граница тени, которую 80-мерный объект отбрасывает в 44 измерениях. Ученые показали, что квантовые прогнозы могут лежать за этой границей, а это значит, что они противоречат одному из предположений. Вне границы влияния не могут оставаться скрытыми или должны обладать бесконечной скоростью.

Экспериментальным группам уже удалось спутать четыре частицы, а потому тест будет выполнен в ближайшем будущем (хотя для измеримого значения придется улучшить точность экспериментов). Такой тест сведется к измерению одного числа. Во вселенной, следующей стандартным релятивистским законам, которые мы используем, пределом является 7. Если природа ведет себя так, как предсказывает квантовая физика, результат может достичь значения 7,3.

Если же результат больше 7, то есть если квантовая природа мира подтверждается — что все это значит и как влияет на свойства пространства и времени?

Здесь доступны два выбора. С одной стороны, есть выбор бросить вызов относительности и раскрыть влияния, что означает принять коммуникации со скоростью выше скорости света. Относительность — успешная теория, которую ученым не удастся легко поставить под сомнение, а потому для многих физиков это выглядит как наиболее широкая возможность.

Другая возможность — признать, что влияние должно быть бесконечно быстрым, или что существует некий процесс, который имеет эквивалентный эффект, когда рассматривается с учетом свойств пространства и времени. Текущий тест не способен это различить. Так или иначе, это означает, что вселенная является весьма нелокальной, то есть каждый бит вселенной может быть связан с любым другим битом в любом другом месте немедленно. Возможность таких связей оспаривает интуитивное понимание и предоставляет еще одно экстремальное решение, но более предпочтительное для коммуникаций со скоростью выше скорости света.

„Наш результат придает вес идее, согласно которой квантовые корреляции так или иначе являются результатом внешних свойств пространства и времени, то есть ни одна пространственно-временная теория не способна описать их“, заключил профессор Николас Гисин из университета Женевы (Швейцария).

29.10.2012