Splątanie kwantowe tworzy tunele czasoprzestrzenne

Splątanie kwantowe jest jednym z najdziwaczniejszych zjawisk, przewidywanych przez mechanikę kwantową. Matematycznie polega ono na tym, że para lub kilka cząstek elementarnych, atomów, fotonów lub innych obiektów tworzy układ, którego funkcji falowej nie da się rozłożyć na niezależne funkcje falowe pojedynczych obiektów. Fizycznie wygląda to, jakby obiekty kwantowe były ze sobą ściśle związane, w taki sposób, że zmiana stanu jednego obiektu pociąga natychmiastową zmianę stanu innych obiektów całego układu. Inaczej mówiąc cząstki nie mogą istnieć niezależnie, muszą stanowić jeden układ, jeśli pozostają splątane. Można powiedzieć, że splątane cząstki (ogólnie obiekty kwantowe) oddziałują wzajemnie. Nie wiadomo tylko o jakie oddziaływanie chodzi. W dodatki oddziaływanie to jest natychmiastowe bez względu na odległość między cząstkami. Ta własność przeczy jednak szczególnej teorii względności, w której prędkość rozchodzenia się nawet najszybszego oddziaływania nie może przekroczyć prędkości światła.

Zasadniczo w podręcznikach mechaniki kwantowej rozpatruje się splątanie obejmujące dwie cząstki, z których każda zajmuje jednocześnie wiele stanów – tworząc złożony stan nazywany superpozycją. Stany pojedyncze mogą się często wzajemnie wykluczać a mimo to cząstka tkwi w nich wszystkich w tej samej chwili. Na przykład obie cząstki mogą jednocześnie obracać się zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Ale żadna z nich nie ma określonego stanu dopóki nie zostanie on zmierzony. Sam akt pomiaru powoduje, że druga cząstka natychmiast przyjmie odpowiedni stan. Powstałe korelacje między cząstkami są zachowane, nawet jeśli znajdują się na przeciwnych końcach wszechświata.

Ale co sprawia, że ​​cząsteczki mogą komunikować się natychmiast, szybciej niż prędkość światła na tak ogromne odległości? Fizycy zaproponowali odpowiedź w postaci tuneli czasoprzestrzennych lub tuneli grawitacyjnych. Grupa naukowców pokazała, że ​​tworząc dwie splątane czarne dziury, a następnie oddzielając je od siebie, można utworzyć między nimi tunel czasoprzestrzenny – czyli drogę na skróty przez wszechświat.

Julian Sonner z Laboratorium Badań Jądrowych MIT, posługując się teorią strun, udowodnił, że doprowadzając do splątania dwóch kwarków doprowadzimy do powstania powstania tunelu łączącego tę parę.

Teoretyczne wyniki są przyczyną powstania stosunkowo nowego i dosyć ekscytującego pomysłu, że grawitacja trzymająca razem wszechświat nie musi być oddziaływaniem fundamentalnym, ale wynika z czegoś innego a mianowicie: ze splątania kwantowego.

Odkąd mechanika kwantowa została po raz pierwszy zaproponowana ponad sto lat temu, głównym wyzwaniem dla fizyków w terenie było wyjaśnienie grawitacji w kategoriach mechaniki kwantowej. Podczas gdy mechanika kwantowa działa wyjątkowo dobrze w opisywaniu interakcji na poziomie mikroskopowym, nie wyjaśnia ona grawitacji – fundamentalnej koncepcji względności, teorii zaproponowanej przez Einsteina do opisu makroskopowego świata. Tak więc wydaje się, że istnieje poważna przeszkoda w pogodzeniu mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności; przez lata fizycy próbowali wymyślić teorię kwantowej grawitacji.

W lipcu fizycy Juan Maldacena z Institute for Advanced Study i Leonard Susskind z Uniwersytetu Stanforda zaproponowali teoretyczne rozwiązanie problemu w postaci dwóch splątanych czarnych dziur. Kiedy czarne dziury zostały splątane, a następnie rozdzielone, teoretycy odkryli, że powstał łączący tunel czasoprzestrzenny – utrzymywany przez grawitację. To sugerowało, że w przypadku tuneli czasoprzestrzennych grawitacja wyłania się z bardziej fundamentalnego zjawiska związanego ze splątaniem czarnych dziur.

Julian Sonner starał się zastosować podobny pomysł na poziomie kwarków – elementarnych cegiełek materii. Aby zobaczyć, co powstaje w wyniku splątania dwóch kwarków, najpierw wygenerował kwarki wykorzystujące efekt Schwingera – koncepcję w teorii kwantowej, która umożliwia tworzenie cząstek z niczego. Dokładniej, efekt, zwany również „tworzeniem pary”, pozwala dwóm cząstkom wyłonić się z próżni. Za pomocą pola elektrycznego można, jak to ujął Sonner, złapać parę cząstek, zanim znikną z powrotem w próżni. Po wyekstrahowaniu cząstki te są uważane za splątane.

Sonner zmapował splątane kwarki na czterowymiarową przestrzeń, uważaną za reprezentację czasoprzestrzeni. Uważa się, że grawitacja istnieje w następnym – piątym wymiarze, ponieważ, zgodnie z prawami Einsteina, zdaje się ona zakrzywiać i kształtować czasoprzestrzeń, tym samym istnieje ona w piątym wymiarze.

Aby zobaczyć, jaka geometria może pojawić się w piątym wymiarze w wyniku splątania kwarków, Sonner zastosował tzw. holograficzną dualność – koncepcję wziętą z teorii strun. Wiemy ,że hologram jest obiektem dwuwymiarowym, ale zawiera wszystkie informacje niezbędne do otworzenia trójwymiarowego obiektu. Zasadniczo dwoistość holograficzna jest sposobem na uzyskanie obrazu obiektów w wyższym wymiarze za pomocą ich obrazu o mniejszym wymiarze.

Używając dualności holograficznej, Sonner odkrył, że między kwarkami powstał łączący je tunel czasoprzestrzenny, co oznacza, że ​​tworzenie kwarków jednocześnie tworzy tunele czasoprzestrzenne. Podchodząc do tego bardziej fundamentalnie, wyniki sugerują, że grawitacja może w rzeczywistości być wynikiem splątania. Co więcej, geometria lub zakrzywienie czasoprzestrzeni opisane klasyczną grawitacją może być także konsekwencją splątania, tak jak na przykład między parami cząstek połączonymi ze sobą tunelami czasoprzestrzennymi.

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Dodaj komentarz