Квантово заплитане доказа, че времето е илюзорно

Независимо че за последния век са направени много открития във физиката, тази наука като преди е раздвоена.

За описание на света на елементарните частици и тяхното взаимодействие учените прибягват към квантовата механика, а за изучаването на макросвета, където главна роля играят планети, звезди и черни дупки, се използва общата теория на относителността на Айнщайн.

Но природата по някакъв начин е обединила тези светове, а това означава, че трябва да съществува теория, която еднакво би подхождала за описанието на субатомния свят и света на големите тела във Вселената.

И всички опити досега да се обединят двете теории, предприети от математици и физици за последното столетие, завършват с получаването на безсмислени отговори. Така през 60-те години учените се опитали да опишат хипотетичното квантово поле с помощта на уравнението на Уилър–Де Вит (Wheeler–DeWitt equation), което трябвало да положи началото на квантовата теория на гравитацията – първия модел, обединяващ явления и взаимодействия от макро- и микросвета. Но за решаването на това уравнение „извън скобите” трябвало да оставят самото време.

„В такъв случай Вселената не трябва да еволюира. А ние виждаме, че тя се развива, а това означава, че времето, каквото и да е било то, присъства и играе своята роля”, казва Марко Дженовезе от Националния института за метрологични изследвания в Торино.

През 1983 г. физиците теоретици Дон Пейдж и Уилям Уотърс предположили, че уравнението на Уилър–Де Вит може да се реши, ако си спомним за явлението квантово заплитане. Този феномен се заключава в това, че квантовомеханичното състояние на две или повече хипотетични частици, без значение от разстоянието, което ги дели, се оказват взаимозависими и се променят в противоположното си състояние. Смяната на състоянието протича мигновено, а това значи, че никакъв импулс за това време не би могъл да долети от едната частица до другата.

Пейдж и Уотърс представили математическо решение на своята необичайна идея – според тяхната хипотеза часовникът се оказва в заплетено състояние с цялата Вселена, затова на наблюдателя, който се намира вътре в тази Вселена, ще му се струва, че времето тече. Но ако си представим наблюдател извън пределите на Вселената, то на него всичко ще му се струва статично и неподвижно.

След няколко десетилетия Дженовезе и колегите му си спомнили идеята на Пейдж и Уотърс и решили да я подкрепят нагледно. За първи път учените демонстрирали описания ефект във физическата система на Вселена, състояща се от два фотона. Тази система може да се смята за малък модел, но нейното функциониране вече е реално доказателство за хипотезата.

В рамките на своя експеримент, чието описание може да откриете в сайта arXiv.org, физиците изпратили двойка заплетени фотони по две различни траектории. Фотоните били поляризирани (вертикално-хоризонтално). Поляризацията ставала кръгова, когато двете частици преминавали през кварцова пластина и попадали в масив детектори.

Трудно е да си представим това, но двата заплетени фотона (до появата на наблюдател) се намират в състояние на квантова суперпозиция – тоест преди измерването на тяхното състояние те едновременно имат вертикална и хоризонтална поляризация.

Хитростта се състои в това, че с нарастването на дебелината на кварцовата пластина фотоните имали нужда от все повече време за преминаване през нея, а това значи, че все повече се променяла тяхната поляризация. Дебелината на пластината влияела на вероятността, че една от частиците ще приеме някое от значенията на поляризацията.

Експериментът е разглеждан от различни позиции. В единия от случаите физиците приели единия от фотоните за часовник със стрелка, способен да се превключва между вертикална и хоризонтална поляризация. Поради феномена квантово заплитане всеки опит да се определят показанията на първия фотон ще поведе след себе си изменение на значението на поляризацията на втория фотон.

Това означава, че всеки наблюдател, който гледа часовника в тази малка „фотонна” Вселена, ще бъде пряко въвлечен в процеса на нейното развитие и ще въздейства на събитията, които се случват в нея. В такъв случай наблюдателят ще може също да оцени значението на поляризацията на противоположния фотон (не този, който се наблюдава), основавайки се на квантовите вероятности.

Тъй като фотоните, преминаващи през дебела кварцова пластина, са подлагани на различни по степен изменения, повторното провеждане на експеримента с използването на пластини с по-голяма дебелина доказват, че поляризацията на втория фотон се променя с времето. А това означава, че „фотонната” Вселена се променя.

След това експериментът бил погледнат от друга гледна точка. Във втория режим експериментаторът бил представен във вид на „супернаблюдател”, който съществува извън пределите на „фотонната” Вселена и измерва квантовото състояние на системата като цяло. От тази гледна точка състоянието на двата фотона винаги е едно и също, което дава илюзията за непроменящата се Вселена.

За резултатите от експеримента много положително се отзовал самият автор на хипотезата – Дон Пейдж, който сега работи в университета на Алберта. Но други физици, които не взели участие в изследването, изразили съмнения за доказателствата на илюзорността на времето.

Уравнението на Уилър–Де Вит не се прилага от много учени, тъй като всяко обединение на общата теория на относителността и квантовата физика трябва да отчита времето, иначе отново някой важен аспект ще остане „извън скобите”, а това означава, че новият модел няма да може да се нарече „теория на всичко”.

Дженовезе и сам признава, че идеята, предложена от Пейдж и Уотърс, макар и революционна, все още е непълна. Уравнението на Уилър–Де Вит, според него, може да послужи като отлично средство за изработка на „теория на всичко”, но не е окончателен отговор на въпросите на квантовата механика и теорията на относителността.

Физиците смятат, че за намирането на повече подсказки е необходимо да се излезе извън пределите на лабораториите и малките модели и да се обърнат към реалната Вселена.