W grudniu ubiegłego roku Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana za eksperymentalne potwierdzenie zjawiska kwantowego znanego od ponad 80 lat: splątania. Zgodnie z wizją Alberta Einsteina i jego współpracowników w 1935 roku, obiekty kwantowe mogą być w tajemniczy sposób skorelowane, nawet jeśli dzieli je duża odległość. Ale niezależnie od tego, jak dziwne wydaje się to zjawisko, dlaczego tak stara idea wciąż jest warta najbardziej prestiżowej nagrody w dziedzinie fizyki?

Przypadkowo, zaledwie kilka tygodni przed uhonorowaniem nowych laureatów Nagrody Nobla w Sztokholmie, inny zespół wybitnych naukowców z Harvardu, MIT, Caltech, Fermilab i Google poinformował, że uruchomił proces na komputerze kwantowym Google, który można zinterpretować jako tunel czasoprzestrzenny . Tunele czasoprzestrzenne to tunele przez wszechświat, które mogą działać jak skróty w przestrzeni i czasie i są uwielbiane przez fanów science fiction, i chociaż tunel zrealizowany w tym niedawnym eksperymencie istnieje tylko w dwuwymiarowym zabawkowym wszechświecie, może stanowić przełom dla przyszłości badania na czele fizyki.

Ale dlaczego splątanie jest związane z przestrzenią i czasem? I jak może to być ważne dla przyszłych przełomów w fizyce? Właściwie rozumiane splątanie implikuje, że wszechświat jest „monistyczny”, jak nazywają to filozofowie, że na najbardziej podstawowym poziomie wszystko we wszechświecie jest częścią jednej, zunifikowanej całości. Cechą definiującą mechanikę kwantową jest to, że leżąca u jej podstaw rzeczywistość jest opisana w kategoriach fal, a wszechświat monistyczny wymagałby uniwersalnej funkcji. Już dziesiątki lat temu badacze tacy jak Hugh Everett i Dieter Zeh pokazali, jak nasza codzienna rzeczywistość może wyłonić się z takiego uniwersalnego opisu mechaniki kwantowej. Ale dopiero teraz naukowcy tacy jak Leonard Susskind czy Sean Carroll opracowują pomysły na to, jak ta ukryta rzeczywistość kwantowa może wyjaśnić nie tylko materię, ale także strukturę przestrzeni i czasu.

Splątanie to znacznie więcej niż tylko kolejne dziwne zjawisko kwantowe. Jest to zasada działania stojąca zarówno za tym, dlaczego mechanika kwantowa łączy świat w jeden, jak i za tym, dlaczego doświadczamy tej fundamentalnej jedności jako wielu oddzielnych obiektów. Jednocześnie splątanie jest powodem, dla którego wydaje się, że żyjemy w klasycznej rzeczywistości. Jest — całkiem dosłownie — spoiwem i twórcą światów. Splątanie odnosi się do obiektów składających się z dwóch lub więcej elementów i opisuje, co się dzieje, gdy kwantowa zasada, że ​​„wszystko, co może się zdarzyć, faktycznie się dzieje”, zostanie zastosowana do tak złożonych obiektów. W związku z tym stan splątania to superpozycja wszystkich możliwych kombinacji, w jakich mogą znajdować się składniki złożonego obiektu, aby uzyskać ten sam ogólny wynik. To znów falista natura domeny kwantowej może pomóc zilustrować, jak faktycznie działa splątanie.

Wyobraź sobie doskonale spokojne, szkliste morze w bezwietrzny dzień. Teraz zadaj sobie pytanie, w jaki sposób można wytworzyć taką płaszczyznę, nakładając na siebie dwa indywidualne wzory fal? Jedną z możliwości jest to, że nałożenie dwóch całkowicie płaskich powierzchni ponownie daje całkowicie równy wynik. Ale inną możliwością, która może wytworzyć płaską powierzchnię, jest nałożenie na siebie dwóch identycznych wzorów fal przesuniętych o pół cyklu oscylacji, tak że grzbiety fal jednego wzoru unicestwiają doliny fal drugiego i odwrotnie. Gdybyśmy tylko obserwowali szklisty ocean, uznając go za wynik dwóch połączonych fal, nie byłoby sposobu, abyśmy mogli dowiedzieć się o wzorcach poszczególnych fal. To, co brzmi zupełnie zwyczajnie, gdy mówimy o falach, ma najbardziej dziwaczne konsekwencje, gdy stosuje się je do konkurencyjnych rzeczywistości. Gdyby twój sąsiad powiedział ci, że ma dwa koty, jednego żywego i jednego martwego, oznaczałoby to, że albo pierwszy kot, albo drugi kot jest martwy, a drugi kot odpowiednio żyje — byłoby to dziwne i chorobliwe sposób opisywania swoich zwierząt domowych i możesz nie wiedzieć, który z nich jest tym szczęśliwym, ale załapałbyś, co myśli sąsiad. Inaczej jest w świecie kwantowym. W mechanice kwantowej to samo stwierdzenie sugeruje, że dwa koty są połączone w superpozycję przypadków, w tym pierwszy kot żyje, a drugi nie żyje i pierwszy kot jest martwy, podczas gdy drugi żyje, ale także możliwości, w których oba koty są w połowie żywe i w połowie martwe, albo pierwszy kot ma jedną trzecią życia, podczas gdy drugi kot dodaje brakujące dwie trzecie życia. W kwantowej parze kotów losy i warunki poszczególnych zwierząt rozpuszczają się całkowicie w stanie całości. Podobnie we wszechświecie kwantowym nie ma pojedynczych obiektów. Wszystko, co istnieje, łączy się w jedno „Jedność”.

Splątanie kwantowe odkrywa przed nami ogromne i zupełnie nowe terytorium do zbadania. Definiuje nowe podstawy nauki i wywraca nasze poszukiwania teorii wszystkiego do góry nogami — aby opierać się na kosmologii kwantowej, a nie na fizyce cząstek elementarnych czy teorii strun. Ale jak realistyczne jest dla fizyków takie podejście? Co zaskakujące, jest to nie tylko realistyczne — oni już to robią. Naukowcy zajmujący czołową pozycję w dziedzinie grawitacji kwantowej zaczęli zastanawiać się nad czasoprzestrzenią jako konsekwencją splątania. Coraz więcej naukowców opiera swoje badania na nierozdzielności wszechświata. Nadzieje są duże, że stosując to podejście, mogą w końcu zrozumieć, czym naprawdę jest przestrzeń i czas, głęboko u podstaw.

Niezależnie od tego, czy przestrzeń jest zszyta przez splątanie, fizyka jest opisana przez abstrakcyjne obiekty poza przestrzenią i czasem, czy przestrzeń możliwości reprezentowana przez uniwersalną funkcję falową Everetta, czy też wszystko we wszechświecie ma swój początek w pojedynczym obiekcie kwantowym — wszystkie te idee mają odrębną smak monistyczny. Obecnie trudno jest ocenić, które z tych idei będą kształtować przyszłość fizyki, a które ostatecznie znikną. Co ciekawe, chociaż pierwotnie idee były często rozwijane w kontekście teorii strun, wydaje się, że wyrosły one z teorii strun, a struny nie odgrywają już żadnej roli w najnowszych badaniach. Obecnie wydaje się, że wspólnym wątkiem jest to, że przestrzeń i czas nie są już uważane za fundamentalne. Współczesna fizyka nie zaczyna się od przestrzeni i czasu, aby kontynuować rzeczy umieszczone w tym wcześniej istniejącym tle. Zamiast tego przestrzeń i czas same w sobie są uważane za produkty bardziej fundamentalnej rzeczywistości projektora. Nathan Seiberg, czołowy teoretyk strun w Institute for Advanced Study w Princeton, nie jest odosobniony w swoich poglądach, kiedy stwierdza: „Jestem prawie pewien, że przestrzeń i czas to iluzje. To prymitywne pojęcia, które zostaną zastąpione czymś bardziej wyrafinowanym”. Co więcej, w większości scenariuszy zakładających pojawienie się czasoprzestrzeni splątanie odgrywa fundamentalną rolę. Jak zauważa filozof nauki Rasmus Jaksland, oznacza to ostatecznie, że we wszechświecie nie ma już pojedynczych obiektów; że wszystko jest połączone ze wszystkim innym: „Przyjęcie splątania jako relacji tworzącej świat wiąże się z ceną rezygnacji z rozdzielności. Ale ci, którzy są gotowi zrobić ten krok, powinni być może poszukać w splątaniu fundamentalnej relacji, z którą ukonstytuuje się ten świat (i być może wszystkie inne możliwe). Tak więc, kiedy przestrzeń i czas znikają, pojawia się zjednoczona Jedność.

Dzięki uprzejmości Hachette Book Group

I odwrotnie, z perspektywy monizmu kwantowego takie oszałamiające konsekwencje kwantowej grawitacji nie są odległe. Już w ogólnej teorii względności Einsteina przestrzeń nie jest już etapem statycznym; raczej pochodzi z mas i energii materii. Podobnie jak pogląd niemieckiego filozofa Gottfrieda W. Leibniza, opisuje względny porządek rzeczy. Jeśli teraz, zgodnie z monizmem kwantowym, została tylko jedna rzecz, nie ma już nic do uporządkowania ani uporządkowania, aw końcu pojęcie przestrzeni na tym najbardziej podstawowym poziomie opisu nie jest już potrzebne. To „Jedyny”, pojedynczy wszechświat kwantowy, który daje początek przestrzeni, czasowi i materii.

„GR=QM”, stwierdził odważnie Leonard Susskind w liście otwartym do badaczy informatyki kwantowej: ogólna teoria względności to nic innego jak mechanika kwantowa – stuletnia teoria, którą stosowano niezwykle skutecznie do wszelkiego rodzaju rzeczy, ale nigdy tak naprawdę całkowicie zrozumiałe. Jak zauważył Sean Carroll: „Może kwantyzacja grawitacji była błędem, a czasoprzestrzeń czaiła się w mechanice kwantowej przez cały czas”. Na przyszłość „zamiast kwantyzacji grawitacji, może powinniśmy spróbować grawitacji mechaniki kwantowej. Lub, dokładniej, ale mniej sugestywnie, „znaleźć grawitację w mechanice kwantowej”” – sugeruje Carroll na swoim blogu. Rzeczywiście, wydaje się, że gdyby mechanika kwantowa była traktowana poważnie od samego początku, gdyby była rozumiana jako teoria, która nie dzieje się w czasie i przestrzeni, ale w ramach bardziej fundamentalnej rzeczywistości projekcyjnej, wiele ślepych zaułków w eksploracji grawitacji kwantowej można było uniknąć. Gdybyśmy zaaprobowali monistyczne implikacje mechaniki kwantowej – dziedzictwa liczącej trzy tysiące lat filozofii, przyjętej w starożytności, prześladowanej w średniowieczu, odrodzonej w renesansie i manipulowanej w romantyzmie – już w Everett a Zeh zwrócił na nie uwagę, zamiast trzymać się pragmatycznej interpretacji wpływowego pioniera kwantowego Nielsa Bohra, która zredukowała mechanikę kwantową do narzędzia, bylibyśmy dalej na drodze do wyjaśnienia podstaw rzeczywistości.

Przyjęty z The One: Jak starożytna idea trzyma przyszłość fizyki przez Heinricha Päsa. Copyright © 2023. Dostępne w Basic Books, wydawnictwie Hachette Book Group, Inc.