Летом 2022 года я опубликовал на Хабре статью «Как и зачем создавать вселенную в лаборатории», которую задумывал исключительно в качестве оммажа великому космологу и мыслителю Андрею Дмитриевичу Линде, сыну одной из последних ночных ведьм, покинувших наш мир. Но с тех пор я иногда возвращался к мыслям о том, насколько сложные физические процессы в принципе поддаются лабораторному моделированию, и что нам могут подсказать такие опыты. Сегодня я расскажу об амбициозных и пока не слишком удачных попытках смоделировать проходимую червоточину в виде компьютерной симуляции. Червоточина (wormhole), также называется «кротовая нора» или «мост Эйнштейна-Розена». Такая гипотетическая структура могла бы связывать произвольно удалённые друг от друга точки пространства-времени, если бы была проходимой. При этом, искусственная червоточина была бы очень интересна сама по себе, так как могла бы подсказать способ унифицировать гравитацию с другими взаимодействиями Стандартной Модели, в конечном счёте — объединить квантовую и классическую физику.
Некоторые варианты червоточин
Это упрощённое изображение червоточины. Её можно сравнить с двусторонней воронкой, пронизывающей пространство и время и позволяющей преодолевать космические расстояния очень быстро или вообще мгновенно (без затрат времени). Червоточина является одним из решений эйнштейновских уравнений из теории относительности, но к настоящему времени её не удавалось наблюдать ни в природе, ни в лабораторных условиях. Вот расширенное объяснение устройства червоточины, приведённое на Хабре в статье «Квантовая запутанность и червоточины, возможно, являются одним физическим явлением» уважаемого @Exolife.
Червоточину можно сравнить с мостом или туннелем между двумя удалёнными областями пространства-времени.
Идея о червоточинах возникла вскоре после того, как в 1916 году Карл Шварцшильд предложил первое решение уравнений для общей теории относительности. Как известно, это решение сводится к получению объекта с бесконечно малым объёмом, но с конечной массой. Далее объект помещается в плоском пространстве — и у этой «гранулы» возникает горизонт событий, то есть, радиус, за пределы которого не может вырваться никакая материя, даже фотоны. Это было первое представление о чёрной дыре. Точнее, такой объект напоминает не дыру, а воронку в пространстве-времени и, как следствие, чем меньше чёрная дыра — тем сильнее она искривляет пространство вокруг себя. Отличную статью об этом на Хабре написал уважаемый @valisak.
Очевидно, что такая чёрная дыра обладает огромной для своего размера положительной массой. Если бы каким-то образом удалось вывести донышко этой дыры в другую точку Вселенной, где была бы сконцентрирована равная по модулю отрицательная масса/отрицательная энергия, то воронка превратилась бы в туннель или «мост» между двумя этими точками.
Уже в 1916 году Людвиг Фламм, изучавший теорию относительности Эйнштейна, предложил первое решение, напоминавшее червоточину, однако в его выкладках червоточина получалась по умолчанию нестабильной. О микроскопических червоточинах задумался в 1928 году Герман Вейль и описал их как «одномерные трубки», вероятно, сопоставимые по размеру с электронами. Концепцию червоточин в их современном макроскопическом понимании сформулировали в 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен. Термин «червоточина» (wormhole) придумал в 1950 году Джон Уилер.
Такое решение теории относительности, которое описывает мост Эйнштейна- тоннель с двумя воронкообразными входами с разных сторон. Согласно некоторым предположениям, вход в червоточину может быть неотличим от чёрной дыры, а выход из неё имел бы вид «белой дыры».
Также существуют модели, в соответствии с которыми червоточина может быть разветвлённой. О подобных конфигурациях написали в 2021 году калифорнийские и испанские учёные, предложив такие возможные конфигурации червоточин:
Червоточина должна быть похожа на чёрную дыру, поскольку, как и у чёрной дыры, у неё есть горизонт событий. Но развитие идей, которые будут рассмотрены далее в этой статье, восходит к 2013 году, когда Хуан Малдасена и Леонард Сасскинд впервые предположили, что червоточина может представлять собой квантовый объект. В таком случае, её горловины должны находиться в состоянии квантовой запутанности, и червоточина является по определению непроходимой, поскольку при взаимодействии с обычной материей она сколлапсирует. Развитие этой идеи в русле научной фантастики потребовало бы привлекать для «стабилизации» червоточины столь же гипотетическую отрицательную энергию и экзотическую материю. Однако, сама эта идея впервые позволила предположить, что для поддержания «просвета червоточины» открытым нужен механизм, который работал бы именно по принципу квантовой гравитации — и, следовательно, объединял гравитацию и квантовую физику. Более подробный обзор проходимости червоточин Хуан Малдасена написал в 2021 году. Мы же далее обсудим возможную физику подобных тоннелей и их место в истории физических идей.
Физика проходимых червоточин
Итак, с практической точки зрения червоточина интересна как средство для телепортации, а значит, интересна именно проходимая червоточина. В качестве минимального результата хотелось бы получить червоточину, через которую мгновенно передавалась бы информация. Проброс обычного вещества или тем более пилотируемого космического корабля в условиях нашей Вселенной кажется невозможным, если не привлекать для поддержания её стабильности экзотическую материю или энергию, о чём я писал выше. Существует предположение, что держать просвет червоточины открытым позволила бы сила, аналогичная эффекту Казимира. Но также возможно, что для создания стабильных червоточин нам просто не хватает макроскопической модели квантовой запутанности. Если между двумя горловинами червоточины существует квантовая запутанность, а сами такие «одномерные трубки» спонтанно образуются в микромире, то микроскопическая червоточина уже позволила бы серьёзно продвинуться в понимании телепортации — для начала лишь передачи данных, а не физических тел.
В конце 2022 года группа физиков из Калифорнийского университета под руководством Марии Спиропулу поставила квантовый эксперимент, впервые позволивший изучать динамику (поведение) гипотетической червоточины, через которую транслируется информация между кубитами. Ранее на Хабре этот опыт тщательно разобрал уважаемый @dionisdimetor в статье «Решение информационного парадокса чёрных дыр: квантовые волосы или реплики червоточин?». Никаких разрывов и туннелей в ходе этого эксперимента не возникало — он представляет собой обычную симуляцию, позволяющую проверить взаимосвязи между квантовой и классической физикой и предложить базис, на основе которого можно было бы сформулировать теорию квантовой гравитации.
Эксперимент строился на основе голографического принципа, который в современной формулировке предложил в 1993 году нидерландский физик Герард т’Хоофт. Голографический принцип пока не доказан, но теоретически может быть одним из свойств квантовой гравитации. Согласно этому принципу, информация, необходимая для описания некоторого объёма пространства, может быть закодирована на плоской поверхности, охватывающей этот объём. Поскольку объём трёхмерен, а плоскость двумерна, свойства червоточины и её поведение также можно описать с таким понижением измерений. Эта идея позволяет математически увязать классическую физику теории относительности и квантовую механику. Если голографический принцип верен, то поведение червоточины можно проиллюстрировать на квантовом компьютере. Здесь область пространства, занимаемая червоточиной (3D) описывается системой квантовых частиц на исследуемой поверхности (2D).
Здесь мы касаемся гораздо более обширной темы голографического дуализма, рассмотренной на Хабре, например, в этой статье уважаемого @SLY_G Теоретически этот принцип означает, что можно создавать такие квантовые системы, которые были бы эквивалентны макроскопическим структурам в пространстве-времени. Именно так и поступили Спиропулу с коллегами, смоделировав проходимую червоточину на квантовом компьютере Sycamore в схеме из девяти кубитов. Результаты этого эксперимента были описаны в журнале Nature.
Информационные аспекты эксперимента
Авторы полагают, что два набора частиц, запутанных определённым (математически проверяемым) образом будут эквивалентны паре чёрных дыр, представляющих собой горловины червоточины. Проверяя эту гипотезу, они стали передавать информацию бит за битом во «входную» группу запутанных кубитов, после чего наблюдали восстановление этой информации во второй группе запутанных кубитов. В динамике этот процесс выглядел именно так, как должно выглядеть прохождение физического тела через червоточину.
По словам Спиропулу, «была найдена квантовая система, которая проявляет ключевые свойства гравитационной червоточины, но при этом настолько мала, что её можно реализовать на современном квантовом компьютере». Эта работа не заменяет опытов по непосредственному поиску квантовой гравитации с использованием квантового зондирования, но демонстрирует, как можно достоверно моделировать другие гипотетические явления, связанные с квантовой гравитацией.
На приведённом выше рисунке есть аббревиатура SYK, означающая «Садчев-Йе-Китаев», о которой я расскажу подробнее. В 2015 году профессор Калифорнийского технологического института Алексей Юрьевич Китаев показал, что простая квантовомеханическая система фермионов проявляет голографический дуализм, то есть, эффекты, напоминающие проявление квантовой гравитации. Именно он впервые предположил, что эксперименты по квантовой гравитации можно моделировать на квантовом процессоре.
В 2019 году Пинь Гао и Даниэль Джафферис предложили протокол эксперимента по запутыванию двух SYK-моделей, который обеспечивал бы телепортацию информации и одновременно помог исследовать динамику червоточин. Тремя годами ранее Гао, Джафферис и Уолл показали, что открыть проходимую червоточину может поток отрицательной энергии, напоминающий ударную волну. Источники отрицательной энергии пока достоверно не известны, однако существует версия, что хокинговское излучение, приводящее к медленному испарению чёрных дыр, представляет собой всплески отрицательной энергии, а сами чёрные дыры могут быть резервуарами отрицательной энтропии.
В такой трактовке механизм передачи информации сквозь червоточину сближается с информационным парадоксом чёрных дыр. На Хабре информационный парадокс червоточин разобран в недавней статье уважаемого @dionisdimetor «Решения информационного парадокса чёрных дыр: квантовые волосы или реплики червоточин?» Обратите внимание на приведённый в ней пример с Алисой и Бобом, знакомыми большинству по примерам из криптографии и передачи данных. В свою очередь, уже в 2024 году Спиропулу и Джафферис подготовили новую статью о дальнодействующей телепортации, где делают важную оговорку о сути эксперимента, поставленного ранее на процессоре Sycamore.
Телепортация информации через импровизированную «червоточину» возможна только в запутанной системе, тогда как классическая передача информации между Алисой и Бобом, во-первых, осуществляется между разными системами, во-вторых, может быть двунаправленной. В квантовой телепортации через червоточину участвуют пары Белла (максимально запутанные состояния), и, в соответствии с экспериментом, Алиса одновременно измеряет состояние Белла как у своего кубита, так и у второго кубита, участвующего в передаче информации. При этом прямого взаимодействия между Алисой и Бобом не происходит, поэтому в червоточине Sycamore нет классического канала, есть только квантовый.
Таким образом, описанный эксперимент действительно ничего не говорит о возможности создания проходимой червоточины в рамках классической физики. Он лишь показывает, как могла бы вести себя классическая червоточина при наличии отрицательной энергии, позволяющей её открыть. Однако этот эксперимент важен при поисках способов мгновенной передачи информации, а также заставляет переосмыслить тезис Джона Уилера «Всё из бита» и задуматься о том, насколько материальна информация.
Решение для фридмановской Вселенной
На фоне подробного разбора этого калифорнийского эксперимента и спровоцированных им дискуссий в 2023 году было предложено ещё одно решение, допускающее возникновение проходимых червоточин во фридмановской Вселенной. Оно описано в статье астрофизиков из РУДН и подготовлено под руководством Кирилла Александровича Бронникова.
Группа Бронникова исследовала обобщённый вариант известного решения, предложенного Леметром, Толменом и Бонди и описывающего эволюцию симметричных сферических распределений электрически нейтральной пыли в соответствии с общей теории относительности. Был рассмотрен случай, в котором космическая постоянная является ненулевой (по-видимому, в нашей Вселенной значение космологической постоянной является переменным, но в текущий момент - положительным), а также существует внешний источник электрического или магнитного поля.
При таких условиях им удалось получить решения, допускающие возникновение таких червоточин, которые могут соединять как разные фридмановские вселенные, так и разные регионы одной и той же Вселенной. Такие червоточины должны быть проходимы, как минимум, для фотонов. При этом смоделированная ими червоточина должна иметь один выход из материнской Вселенной, но может иметь множество выходов в дочерние вселенные (регионы). Заряды на противоположных горловинах червоточины должны быть противоположными, а способы поддержания такой червоточины в раскрытом состоянии можно проверить экспериментально. Бронников считает, что поиск подобных червоточин связан с исследованиями неоднородностей реликтового излучения и войдов, то есть, практически пустых областей Вселенной, в которых встречаются единичные галактики, либо наблюдается абсолютная пустота. Факт наличия внешнего источника энергии указывает, что именно такие червоточины можно было бы контролируемо создавать и закрывать, но пока это решение также существует лишь на кончике пера.
Автор: OlegSivchenko
