Физики-теоретики обнаружили связь между кротовыми норами в пространстве-времени и явлением квантовой запутанности. Возможно, их открытие — шаг на пути к одной из величайших целей теоретической физики: примирить квантовую механику с общей теорией относительности Эйнштейна.
Кротовые норы и квантовая запутанность: есть связь
Если рассматривать гравитацию как искривление пространства-времени массивными объектами, то кротовую нору можно представить как две глубоких «ямы», слившиеся в один «тоннель».

Квантовая запутанность связывает частицы таким образом, что манипуляции с одной из них могут мгновенно отразиться на другой, как бы далеко она не находилась. При этом, согласно странным законам квантового мира, каждая из частиц может находиться в одном из двух противоположных состояний — или в обоих одновременно. Так, проекция спина элементарной частицы на заданное направление может быть положительной, отрицательной, либо находиться в суперпозиции этих состояний — быть и положительной, и отрицательной одновременно, пока попытка измерить спин не приведет к коллапсу волновой функции (переходу к одному из двух направлений). Если речь идет о паре квантово запутанных частиц, измерение спина одной из них (допустим, его проекция оказалась положительной) немедленно приведет к тому, что вторая частица перейдет из суперпозиции двух возможных состояний в состояние с определенным спином (его проекция будет отрицательной). Это произойдет мгновенно, даже если частицы будут находиться во многих световых годах друг от друга.

Кротовые норы — это топологические особенности пространства-времени, описанные в рамках ОТО. Предполагается, что массивные объекты деформируют ткань пространства-времени, создавая эффект гравитации. Если масса объекта очень велика, создаваемая им «яма» в пространстве-времени будет настолько глубока, что даже свет не сможет покинуть её — образуется черная дыра. Теоретически, при соединении двух черных дыр «спина к спине» эти «ямы» могут слиться в тоннель, пронизывающий пространство-время — кротовую нору.

На первый взгляд, как явление квантовой запутанности, так и кротовые норы предлагают заманчивую возможность обойти ограничение ОТО, согласно которому ни один материальный объект не может двигаться быстрее света. Но на самом деле использовать квантовую запутанность для передачи информации быстрее скорости света нельзя, так как невозможно повлиять на то, в каком именно состоянии окажется частица-«передатчик» после проведенного измерения, а значит, невозможно и целенаправленно задать требуемое состояние частицы-«приемника». Точно также невозможно и проскользнуть сквозь кротовую нору, поскольку ничто не сможет покинуть черную дыру, расположенную на её противоположном конце.

В июне 2013 года физики-теоретики Хуан Малдасена из Института перспективных исследований в Принстоне (США) и Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (США), показали, что между парой квантово запутанных черных дыр формируется кротовая нора. А теперь две независимых группы ученых утверждают, что для формирования кротовой норы вовсе не нужны столь массивные объекты — она может протянуться между двумя квантово запутанными кварками.

Кристан Дженсен из Университета Виктории (Канада) и Андреас Карч из Университета Вашингтона (США), описали квантово запутанную пару, состоящую из кварка и антикварка, которые мчатся прочь друг от друга с околосветовыми скоростями, что делает невозможной передачу сигналов от одного к другому. Исследователи полагают, что трехмерное пространство, в котором движутся кварки — это гипотетическая грань четырехмерного мира. В 3D-пространстве квантово запутанные частицы соединены своего рода «струной». А в 4D-пространстве эта «струна» становится кротовой норой.

Джулиан Соннер из Массачусетского технологического института (США) представил квантово-запутанную пару кварк-антикварк, рождающуюся в сильном электрическом поле, которое разлучает противоположно заряженные частицы, заставляя их ускоренно двигаться в разных направлениях. Соннер также пришел к выводу, что частицы, квантово запутанные в трехмерном пространстве, будут соединены кротовой норой в четырехмерном.

При расчетах физики использовали так называемый голографический принцип — концепцию, согласно которой вся физика n-мерного мира в полной мере отражается на его «гранях» с количеством измерений (n-1). При таком «проецировании» квантовая теория, учитывающая эффекты гравитации в четырехмерном пространстве, эквивалентна квантовой теории «без гравитации» в трехмерном. Другими словами, черные дыры в 4D-пространстве и кротовая нора между ними математически эквивалентны их трехмерной голографической проекции. «Запутанность и кротовая нора не существуют в одном и том же пространстве, однако математически они эквивалентны», — поясняет Карч.

Сасскинд и Малдасена обращают внимание, что в обеих новых работах изначальные квантовые частицы рассматриваются в рамках моделей, не учитывающих влияние гравитации. В упрощенной, «безгравитационной» модели нашего мира не может быть никаких черных дыр и кротовых нор, поэтому связь квантовой запутанности с кротовой норой остается лишь математической аналогией. Их эквивалентность «имеет смысл только в теории с гравитацией», говорит Сасскинд. Однако Карч считает, что даже их упрощенная модель «дает вполне определенное представление о том, что кротовые норы и квантовая запутанность могут быть различными проявлениями одной и той же физической реальности».

По сообщению Science Now