«Неклассическая» Вселенная

Сотрудник МФТИ Артем Мельников совместно с коллегами из Университета Аалто (Финляндия) попытались построить модель Вселенной, противоречащую классическим законам физики. Помог им в этом квантовый компьютер IBM. Результаты исследования были опубликованы в журнале Communications Physics.

Как мы знаем, фантасты часто рассуждают о создании машины времени, телепортации и путешествиях в иные пространственные измерения. Такие вещи могли бы стать реальностью только в том случае, если бы удалось изменить существующие физические законы. Об этом несколько лет назад задумался профессор химии и биохимии Техасского технологического университета (США) Билл Пуарье, наблюдая за поведением квантовых частиц.

Квантами Пуарье занимается постольку-поскольку – их поведение позволяет лучше понимать процессы, которые происходят при химических реакциях. Уже давно физиков заинтересовала способность частиц находиться одновременно в двух местах. Хотя считается, что их местонахождение в данный конкретный момент времени не поддается точному определению, его можно прогнозировать математическими методами, с помощью «волны вероятности».

Но Пуарье пошел еще дальше. Он предположил, что эта самая «вероятность» может увести нас в параллельные измерения. И само свойство частиц «раздваиваться» является бесспорным доказательством их существования! Суть теории Пуарье заключается в том, что отдельные частицы из параллельных миров способны вступать во взаимодействие с нашим миром, и именно это является причиной такого загадочного явления, как «раздвоение» квантов, или другого любопытного эффекта, связанного с тем, что две квантовые частицы могут сообщаться друг с другом на огромных расстояниях.

Позиция каждой частицы у Пуарье четко определена. Однако в каждом измерении эти позиции варьируются, поэтому мы можем наблюдать их как бы в нескольких местах одновременно. Что же касается квантовой связи между удаленными частицами, названной, кстати, еще Альбертом Эйнштейном «жутким действием на расстоянии», то это результат «взаимопроникновения» соседних миров. Это, в общем-то, не противоречит и стандартной физической волновой теории, у которой есть множество экспериментальных подтверждений. Еще один нюанс гипотезы Пуарье связан с тем, что одни и те же объекты квантового микромира в присутствии наблюдателей могут вести себя как частицы с фиксированным местоположением, а в остальное время – как волны. До недавнего времени ученые пользовались уравнением Шредингера, выведенным в 20‑х годах прошлого столетия, согласно которому движение квантовых волн хаотично. Пуарье усомнился в этом.

А что, если вместо сложнейших волновых вычислений применять закономерности квантовых траекторий, используя простое численное моделирование, предлагает он. Чтобы создать подобную модель, российские и финские специалисты использовали принципы так называемой неэрмитовой квантовой механики. Суть их заключается в следующем.

Поведение очень малых объектов в классической квантовой физике определяется с помощью математических операторов, которые именуют эрмитовыми гамильтонианами. Хотя их используют уже почти 100 лет, лишь недавно ученым пришло в голову, что можно расширить фундаментальные физические уравнения, применяя для них операторы, не являющиеся эрмитовыми. Речь идет об операторах, действующих с нарушением симметрии четности и времени, или PT-симметрии. В частности, в такой системе отражение человека в зеркале при изменении хода времени показывало версию оригинала в реальном мире. То есть теоретически таким образом можно вернуться в прошлое или отправиться в будущее и «встретить» там самого себя. Узнаете любимый прием фантастов?

Выяснилось, что такие «операции» лишают кубиты компьютера – элементы, которые отвечают за вычисления, – квантовой информации. Таким образом, косвенно подтверждается гипотеза знаменитого Стивена Хокинга об исчезновении информации в черной дыре.

Кроме того, исследователям удалось изменить уровень запутанности двух квантовых кубитов (той самой, что так не нравилась Эйнштейну), экспериментируя лишь с одним из них. В рамках обычной квантовой физики степень сцепления между двумя частицами изменить нельзя. Но при экспериментах с «неэрмитовыми» взаимодействиями это прекрасно удалось.

«Самое интересное в этих результатах состоит в том, что квантовые компьютеры сейчас достаточно развиты, чтобы начать использовать их для проверки нетрадиционных идей, которые до сих пор были только математическими, – прокомментировал руководитель исследования, доцент Сорин Параоану из Университета Аалто. – В данной работе «жуткие действия на расстоянии» становятся еще более пугающими. И хотя мы очень хорошо понимаем, что происходит, это вызывает у нас дрожь». Ученые считают, что их теоретическое исследование вполне может получить применение на практике. Например, для создания нового поколения оптических и микроволновых устройств на квантовой основе.

Не исключено, что со временем квантовая физика сможет ответить и на вопрос, существует ли душа. Недавно профессор физики и астрономии Манчестерского университета (Великобритания) Брайан Кокс объявил, что согласно физике элементарных частиц загробная жизнь в нашем мире исключена. Так как в нашей Вселенной действуют всего четыре фундаментальные физические силы: гравитация, электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерное взаимодействие. Если бы душа существовала, она оказывала бы значительное влияние на частицы, из которых состоит наше тело.

«Итак, вот моя рука, – говорит ученый. – Она сделана из электронов, протонов и нейтронов. Если у меня есть душа, то, чего мы не понимаем, то это другой вид энергии или что-то еще, чего у нас нет в физике на данный момент. Она взаимодействует с материей, потому что я двигаю рукой. Но нет чего-то, что действительно можно уловить. Эта «душа» должна взаимодействовать с материей. И это должно быть видно на уровне нейтронов и электронов». Кокс утверждает, что на сегодняшний день нет ни одного научно обоснованного доказательства существования души, хотя есть возможность проводить исследования на субатомном уровне. Но, с другой стороны, если какие-то явления невозможны в нашем «классическом» мире, то почему они невозможны в «неклассической» реальности, создаваемой на квантовом уровне? Конечно, вопрос спорный, но поискать ответ на него не помешает.