Несмотря на то, что открытий в физике за последние века было сделано огромное множество, эта наука по-прежнему расколота надвое. Для описания мира элементарных частиц и их взаимодействий учёные прибегают к квантовой механике, а для изучения макромира, где главные роли играют планеты, звёзды и чёрные дыры, используется Общая теория относительности Эйнштейна. Но природа каким-то образом объединила два эти мира, а значит, должна существовать теория, которая одинаково бы подходила к описанию субатомного мира и мира крупнейших тел во Вселенной.
И всё же до сих пор все попытки объединить две теории, предпринятые математиками и физиками за последнее столетие, оканчиваются получением абсолютно бессмысленных ответов. Так, в 1960-х годах учёные попытались описать гипотетическое квантовое поле с помощью уравнения Уилера-Де Витта (Wheeler–DeWitt equation), которое должно было положить начало квантовой теории гравитации— первой модели, объединяющей явления и взаимодействия микро- и макромира. Но для решения этого уравнения "за скобками" приходилось оставить само время.
"В таком случае, Вселенная не должна эволюционировать. А мы видим, что она развивается, значит, время, чем бы оно ни было, присутствует и играет свою роль", — говорит Марко Дженовезе (Marco Genovese) из Национального института метрологических исследований в Турине.
В 1983 году физики-теоретики Дон Пейдж (Don Page) и Уильям Вуттерс (William Wootters) предположили, что уравнение Уилера-Де Витта можно решить, вспомнив о явлении квантовой запутанности. Этот феномен заключается в том, что квантовомеханическое состояние двух или более гипотетических частиц, разделённых сколь угодно большим расстоянием, оказывается взаимозависимым и изменяется на противоположное друг другу. Смена состояния происходит мгновенно, а значит, никакой импульс не смог бы за это время долететь от одной частицы до другой.
Пейдж и Вуттерс представили математическое решение своей необычной идеи: согласно их гипотезе, часы оказываются в запутанном состоянии со всей Вселенной, поэтому наблюдателю, находящемуся внутри этой Вселенной будет казаться, что время идёт. Но если представить себе некого наблюдателя за пределами этой Вселенной, то ему всё будет казаться статичным и неподвижным.
Спустя несколько десятилетий Дженовезе и его коллеги вспомнили идею Пейджа и Вуттерса и решили подкрепить её наглядной демонстрацией. Впервые учёные продемонстрировали описанный эффект в физической системе Вселенной, состоящей всего из двух фотонов. Эту систему можно считать мелкомасштабной моделью, но её функционирование уже является весомым доказательством гипотезы.
В рамках своего эксперимента, описание которого можно найти в статье на сайте препринтовarXiv.org, физики отправили пару запутанных фотонов по двум разным траекториям. Фотоны были поляризованными (вертикально-горизонтально). Поляризация становилась круговой, когда обе частицы света проходили сквозь кварцевую пластину и попадали в массив детекторов.
Это сложно себе представить, но оба запутанных фотона (до появления наблюдателя) находятся в состоянии квантовой суперпозиции — то есть до измерения их состояния они как бы одновременно имеют вертикальную и горизонтальную поляризации.
Хитрость состояла в том, что по мере утолщения кварцевой плиты, фотонам требовалось всё большее время для прохождения сквозь неё, а значит, при этом всё больше менялась их поляризация. Толщина пластины влияла на вероятность того, что одна из частиц примет какое-то одно значение поляризации.
Эксперимент рассматривался с разных позиций. В одном из случаев физики приняли один из фотонов за часы со стрелкой, способной переключаться между вертикальной и горизонтальной поляризацией. Из-за феномена квантовой запутанности, любая попытка определить показания первого фотона повлечёт за собой изменение значения поляризации второго фотона.
Это означает, что любой наблюдатель, который смотрит на часы в этой мелкой "фотонной" Вселенной, оказывается напрямую вовлечённым в процесс её развития и воздействует на события, в ней происходящие. В таком случае наблюдатель также может оценить значение поляризации противоположного фотона (не того, за которым наблюдает), основываясь на квантовых вероятностях.
Поскольку фотоны, проходящие сквозь толстую кварцевую пластину, подвергаются различным степеням изменения, повторное проведение эксперимента с использованием пластины большей толщины доказывает, что поляризация второго фотона меняется со временем. А значит, "фотонная" Вселенная изменяется.
Затем на эксперимент посмотрели с другой точки зрения. Во втором режиме экспериментаторы представили себя в виде "супернаблюдателя", который существует за пределами "фотонной" Вселенной и измеряет квантовое состояние системы в целом. С этой точки зрения состояние обоих фотонов всегда одно и то же, что даёт иллюзию неизменяющейся Вселенной.
О результатах эксперимента очень положительно отозвался сам автор гипотезы — Дон Пейдж, который в настоящее время работает в университете Альберты. Но другие физики, не принимавшие участия в исследовании, выразили своё сомнение по поводу доказательства иллюзорности времени. Уравнение Уилера-Де Витта не принимается многими учёными, поскольку любое объединение ОТО и квантовой физики должно учитывать время, иначе снова какой-то важный аспект останется "за скобками", а значит, новую модель нельзя будет назвать "теорией всего".
Дженовезе и сам признаёт, что идея, предложенная Пейджем и Вуттерсом, хоть и революционная, но всё же, неполная. Уравнение Уилера-Де Витта, по его словам, может послужить отличным средством разработки "теории всего", но не окончательным ответом на вопросы квантовой механики и Теории относительности. Физики полагают, что для нахождения большего числа подсказок, нужно будет выйти за пределы лаборатории и мелкомасштабных моделей и обратиться к реальной Вселенной.
Также по теме:
Наша Вселенная может быть искривлённой, а не плоской
Физики создали квантовую связь между фотонами, разделёнными временем и пространством
Физики разгадали многолетнюю загадку о поведении электронов
Искусственная чёрная дыра помогла визуализировать искривление света
Вселенная могла произойти от одной гигантской чёрной дыры
Наша Вселенная может быть искривлённой, а не плоской
Физики создали квантовую связь между фотонами, разделёнными временем и пространством
Физики разгадали многолетнюю загадку о поведении электронов
Искусственная чёрная дыра помогла визуализировать искривление света
Вселенная могла произойти от одной гигантской чёрной дыры
