«Жуткое квантовое действие» может задерживать Вселенную от распада

    Брайан Свингл был аспирантом, изучал физику веществ в Массачусетском технологическом колледже, когда вдруг решил взять несколько уроков в теории струн, дабы подкрепить свое образование — как только он вспоминает, «потому что посему бы и нет?» — хотя ни разу особо и не интересовался данной областью. По мере углубления в детали Свингл начал подмечать внезапные сходства подхода теории струн к физике темных дыр и квантовой гравитации с его своей работой, в какой он употреблял эдак именуемые тензорные паутине для прогнозирования качеств экзотичных материалов.

    «Жуткое квантовое действие» может задерживать Вселенную от распада

    «Я понял, что происходит что-то глубокое», — говорит он.

    Тензоры появляются по всей физике — это ординарные математические объекты, кои умеют представлять несколько чисел сразу. Например, вектор скорости — простой тензор: он захватывает значения скорости и направления движения. Наиболее сложноватые тензоры, связанные в паутине, можно применять для упрощения расчетов всеохватывающих систем, состоящих из почти всех разнообразных взаимодействующих элементов, в фолиант числе и трудного взаимодействия большого цифры субатомных частиц, составляющих материю.

    Свингл — один из возрастающего цифры физиков, кои лицезреют приоритет в адаптации тензорных сетей к космологии. Посреди иных преимуществ она может посодействовать решить продолжающийся спор об природе самого пространства-времени. По словам Джона Прескилла, доктора теоретической физики в Калифорнийском технологическом колледже в Пасадене, почти все физики заподозрили глубокую взаимосвязь меж квантовой запутанностью — «жутким воздействием на расстоянии», которое эдак невзлюбил Альберт Эйнштейн — и геометрией пространства-времени на мелких масштабах, которую физик Джон Уилер первым обрисовал как только пузырящуюся пену шесть десятков годов назад.

    «Если вы будете учить геометрию в масштабах, приближенных к планковской длине, — самой короткой из любых потенциальных, — она будет меньше и все меньше похожа на пространство-время, — говорит Прескилл. — На деле, это же будет уже и не геометрия. Это же что-то альтернативное, возникающее из чего-то наиболее фундаментального».

    Физики продолжают биться с данной запутанной неувязкой, связанной с базовой картиной, однако максимально подозревают, что она сопряжена с квантовой информацией. «Когда мы говорим об фолиант, что информация кодируется, мы имеем в образу то, что можем разбить систему на части, и будет энная корреляция меж этими частями, эдак что можно будет познать что-то о одной части, следя другую», — разговаривает Прескилл. Такая сущность запутанности.

    Мы привыкли твердить об «ткани» пространства-времени, метафоре, которая вызывает образ соткания ниток в гладкое и длительное единое целое. Эта нитка важно квантовая. «Запутанность — это ткань пространства-времени, — говорит Свингл, сейчас ученый Стэнфордского вуза. — Это же нитка, которая связывает систему воедино, выполняет коллективные характеристики хорошими от персональных. Однако дабы узреть увлекательное коллективное поведение на деле, вы обязаны осознавать, как только распределяется запутанность».

    Тензорные паутине предоставляют математический инструмент, который дозволяет это же предпринять. С этакий точки зрения, пространство-время появляется как только паутину взаимосвязанных узлов всеохватывающей паутине с отдельными кусками квантовой инфы, связанных совместно подобно LEGO. Запутанность — это клей, который держит паутину совместно. Ежели мы желаем осознать пространство-время, нам надо первым делом поразмыслить геометрически об запутанности, так как конкретно сиим методом информация закодирована в бессчетном количестве взаимодействующих узлов системы.

    Не мало тел, одна паутину


    Смоделировать сложноватую квантовую систему — не попросту подвиг; даже традиционная система с наиболее чем двумя взаимодействующими частями представляется неувязкой. Когда Исаак Ньютон опубликовал свои «Начала» в 1687 году, одна из почти всех тем самым, которых он коснулся, предстала знаменита как только «задача трех тел». Это же относительно простейший вопросец: высчитать движение двух объектов вроде Почвы и Солнца, принимая во внимание спецэффекты них обоюдного гравитационного притяжения. Все же ежели добавить третье тело вроде Луны, задачка становится колоссально сложноватой, неполадка с относительно прямым и заядлым решением становится беспорядочной, где долгосрочное прогнозирование просит сильных компов для моделирования ориентировочной эволюции системы. Короче, чем все больше объектов в системе, тем самым труднее ее вычислить, и эта сложность повышается линейно, по последней мере в традиционной физике.

    Сейчас представьте квантовую систему с почти всеми млрд атомов, все из которых ведут взаимодействие вместе с согласовании со сложноватыми квантовыми уравнениями. На этаких масштабах сложность растет экспоненциально с числом частиц в системе, эдак что подход грубой вычислительной силы и не сработает.

    Представьте самому себе позолоченный самородок. Он состоит из огромного количества млрд атомов, кои ведут взаимодействие меж собой. Из этих взаимодействий вытекают разнообразные характеристики сплава, цвет, крепкость либо проводимость. «Атомы — крохотные квантово-механические штуки, вы кладете атомы совместно и происходят классненькие новейшие вещички», — разговаривает Свингл. Однако на этаких масштабах используются руководила квантовой механики. Физикам надо определенно высчитать волновую процедуру сего самородка, которая определяет состояние системы. И эта волновая опция — многоголовый огнедышащий дракон экспоненциальной трудности.

    Даже ежели в вашем самородке будет всего 100 атомов, каждый с квантовым «спином», который возможно или верхним, или нижним, массовое число потенциальных состояний составляет 2^100, либо миллион триллионов триллионов. С каждым добавленным атомом, неполадка становится неизмеримо ужаснее. (И будет гораздо ужаснее, ежели вы решите бережно обрисовать чего-нибудть в дополнение к спинам атомов, согласно хоть какой близкой к реальности фотомодели). «Если взять всю зримую Вселенную и заполнить ее нашим топовым материалом для хранения, предпринять оптимальный из потенциальных твердых дисков, вы сможете сохранить состояние всего 300 спинов, — разговаривает Свингл. — Эта информация находится, однако она и не про физиков. Никто ни разу и не мерил все эти числа».

    Тензорные паутине дозволяют физикам сжимать всю информацию, содержащуюся в волновой опции, и обращаться лишь к тем самым характеристики, кои физики умеют измерить экспериментально: как только раздельно заимствованный материал искривляет свет, к примеру, либо как только он поглощает звук, либо как ладно проводит электричество. Тензор — это же собственного рода «черный ящик», который воспринимает один комплект чисел и выдает совсем альтернативный. Таким макаром, можно подключить элементарную волновую процедуру — огромного количества невзаимодействующих электронов, каждый в нижайшем энергетическом состоянии — и пропускать тензоры в системе опять и опять, пока что процесс и не осуществит волновую процедуру большой и сложноватой системы, млрд взаимодействующих атомов в самородке золота. Результатом будет достаточно элементарная диаграмма, изображающая этот непростой слиток золота, новаторство сродни диаграммам Фейнмана, кои упростили процесс мнения взаимодействия частиц посреди 20 века. У тензорной паутине существуют геометрия, как только у пространства-времени.

    Ключом к достижению этакого упрощения является принцип под заглавием «локальность». Хоть какой отдельный электрон ведет взаимодействие лишь с наиблежайшими соседями-электронами. Запутывание огромного количества электронов с его соседями осуществляет серию «узлов» в паутине. Эти узлы представлены тензорами, а уж запутанность связывает них совместно. Все эти соединенные узлы составляют паутину. Непростой расчет становится проще визуализировать. Время от времени он даже сводится к простейший неполадке подсчета.

    Существуют не мало различных сортов тензорных сетей, однако посреди более нужных существуют одна, популярная под акронимом MERA (анзац перенормировки многомасштабной запутанности). Ах так она ишачит в принципе: представьте одномерную линию электронов. Поменяйте восемь отдельных электронов — A, B, C, D, E, F, G, H — основными единицами квантовой инфы (кубитами) и запутайте них с наиблежайшими соседями, дабы образовать взаимосвязи. A запутывается с B, C запутывается с D, E запутывается с F, G запутывается с H. Это же поднимает паутину на уровень свыше. Сейчас запутываем AB с CD, EF с GH, очередной уровень. В конце концов, ABCD связывается с EFGH, образуя самый высший слой. «В неком смысле, можно сообщить, что запутывание употребляется для построения многочлена волновой функции», — писал Роман Орус, физик из Вуза Иоганна Гутенберга в Германии.

    Посему некие физики эдак взволнованы потенциалом тензорных сетей — в особенности MERA — в свете квантовой гравитации? Так как эти паутине показывают, как только одна геометрическая структура может выйти из сложноватых взаимодействий почти всех объектов. И Свингл (вместе с иными) уповает пользоваться данной вытекающей геометрией и отобразить, как только она может растолковать появления гладкого непрерывного пространства-времени из дискретных битов квантовой инфы.

    Границы пространства-времени

    «Жуткое квантовое действие» может задерживать Вселенную от распада

    Физики кондесированных сред случаем отыскали возникающее доборное измерение, когда разработали тензорные паутине: эта техника предлагает двумерную систему из единого измерения. Меж тем самым теоретики гравитации начали вычитать измерение — из трех в два — с развитием эдак именуемого голографического принципа. Можно ли сплотить эти два понятия, дабы сформировать глубочайшее осознание пространства-времени?

    В 1970-х годах, физик Яаков Бекенштейн проявил, что информация об содержании темной прорехи кодируется в ее двумерной зоне («граница»), а уж и не в трехмерной («объем»). Двадцать лет спустя Леонард Сасскинд и Герард т’Хоофт расширили эту идею на всю вселенную, уподобив ее голограмме: наша трехмерная вселенная во всей ее красоте вытекает из двумерного «исходного кода». В 1997 году Хуан Малдасена обнаружил объективные примеры голографии в воздействии, демонстрирующие, что игрушечная фотомодель, описывающая плоское место без гравитации, эквивалентна описанию седловидного места с гравитацией. Эту взаимосвязь физики окрестили дуальностью.

    Марк Ван Раамсдонк, струнный теоретик из Вуза Английской Колумбии в Ванкувере, ассоциирует эту голографическую идею с двумерным компьютерным чипом, который содержит код для сотворения трехмерного виртуального мира видеоигры. Мы живем в этом трехмерном игровом пространстве. В неком смысле наше место призрачно, эфемерная картинка, повисшая в узком воздухе. Однако как только подчеркивает Ван Раамсдонк, «есть гораздо настоящая физическая вещь в вашем персональном компьютере, которая хранит всю эту информацию».

    Эта мысль получила обширное признание посреди физиков-теоретик, однако они как и раньше борются с неувязкой: как только конкретно низшее измерение может хранить информацию об геометрии пространства-времени. Валуном преткновения будет то, что наш метафорический чип памяти обязан быть кое-чем вроде квантового компа, где классические нули и единицы, расходуемые для кодировки инфы, заменяются кубитами, могущими быть нулями, единицами и всем, что меж, сразу. Эти кубиты обязаны были объединиться при помощи запутывания — в итоге коего состояние единого кубита определяется состоянием его соседа — перед началом тамошнего, как только мог быть закодирован близкий к реальности трехмерный мир.

    Запутанность кажется базовой для существования пространства-времени. К этакому выводу гораздо в 2006 году пришла пара ученых: Шинсей Рю (Вуз Иллинойса) и Тадаши Такаянаги (Вуз Киото), получившие премию New Horizons 2015 по физике за эту работу. «Идея существовала в фолиант, что метод, которым существовала закодирована геометрия пространства-времени, имеет не мало общего с тем самым, как только разнообразные части нашего чипа памяти запутывались друг с другом», — объясняет Ван Раамсдонк.

    Воодушевленный них работами, также работой Малдасены, в 2010 году Ван Раамсдонк предложил мысленный опыт, демонстрирующий экстренную участие запутанности в формировании пространства-времени, размышляя над тем самым, что может произойти, ежели разрезать чип памяти на два и потом удалить запутанности меж кубитами в обратных половинах. Он нашел, что пространство-время начнет рвать себя на части, подобно тамошнему, как только растягивание жевательной резинки в различные финалы образует изорванные прорехи посередине. Продолжая делить этот чип памяти на наименьшие и все меньше части, можно порвать пространство-время, пока что и не останутся лишь крохотные персональные куски, и не связанные вместе.

    «Если вы уберете запутанность, ваше пространство-время развалится на части, — говорит Ван Раамсдонк. — Аналогичным образом, если вы желаете выстроить пространство-время, для вас надо начать с запутывания кубитов совместно конкретным образом».

    Соедините эти идеи с работой Свингла по соединению запутанной структуры пространства-времени и голографического принципа с тензорными паутинами, и очередной важнейший фрагмент головоломки встанет на пространство. Кривое пространство-время достаточно конечно вытекает из запутанности в тензорных паутинах сквозь голографичность. «Пространство-время — это геометрическая репрезентация данной квантовой информации», — говорит Ван Раамсдонк.

    «Жуткое квантовое действие» может задерживать Вселенную от распада

    И на что похожа эта геометрия? В случае с седлообразным пространством-временем Малдасены, она похожа на одну из фигур цикла «Предел — круг» Маурица Корнелиса Эшера финала 50-х – начала 60-х. Эшер длительное время интересовался порядком и симметрией, включая эти математические идеи в свое искусство.

    Его ксилография «Предел — круг» — это же иллюстрации гиперболической геометрии: негативно искривленные места, выставленные в двух измерениях в образе искаженного диска, подобно тамошнему как только тонкий глобус Почвы на двумерной карте искажает материки. Свингл утверждает, что диаграмммы тензорных сетей имеют поразительное сходство с серией «Предел — круг».

    На сегодня тензорный анализ был ограничен моделями пространства-времени вроде малдасеновской, кои и не обрисовывают вселенную, в какой мы живем — вселенную неседлообразной формы, расширение которой ускоряется. Физики умеют лишь выполнять переводы меж двумя моделями в энных вариантах. В эталоне им же хотелось бы заполучить всепригодный словарь. И они жаждили бы выполнять четкие переводы, а уж и не приближенные.

    «Мы в смешной ситуации с этими дуальностями, так как все соглашаются, дескать, да, это же немаловажно, однако никто и не знает, как только них переводить, — говорит Прескилл. — Может быть, подход с тензорной паутиной дозволит зайти дальше».

    За прошлый год Свингл и Ван Раамсдонк сделали не мало совместной работы, дабы вывести собственный круг обзора за границы статической рисунки пространства-времени и обследовать его динамику: как только пространство-время изменяется с течением времени и как только его кривизна реагирует на эти конфигурации. Пока они смогли вывести уравнения Эйнштейна, а именно принцип эквивалентности — подтверждение тамошнего, что динамика пространства-времени, как только и его геометрия, вытекают из запутанных кубитов. Это же многообещающее начало.

    «Вопрос: что этакое пространство-время? Он звучит как только совсем философский вопросец, — говорит Ван Раамсдонк. — Однако он полностью ярый, и тамошний факт, что пространство-время можно высчитать, совсем удивляет».

    По материалам QuantaMagazine.org