ЗОМБИ-ВСЕЛЕНА

Posted: August 7, 2014 in New Scientist

КВАНТОВАТА СМЪРТ   ИЛИ КАК  ЗАМРЪЗВА ЛИМИТА НА СКОРОСТТА В КОСМОСА

Замръзва ли квантовият свят в странността на Големия Взрив пита Джон Картрайт ?

Когато дойде края, той е като анти-кулминация. Когато Вселената започне да старее, звездите и изгарят. Бавно, температурата по протежение на космоса достига равновесие. Без наличието на разпространяваща се топлина термодинамичните закони правят невъзможен трансфера на енергия по обичайният начин. Нищо интересно или продуктивно вече не се случва. Всичко скърцайки замира.

mg22129620.500-1_1200Тази “топлинна смърт” на Вселената беше любима тема на мрачния тип физици от 19-ти век. В наши дни се утешаваме с факта, че ако това се случи, то няма да бъде за много, много години умножени по сегашната възраст на Вселената.

Антъни Валентини, физик-теоретик от Университета Клемсън в Южна Каролина е по-слаб оптимист. За последните две десетилетия, той защитаваше идеята, че нещо подобно на топлинната смърт вече се е случвало – не в нашият слой реалност разбира се, а на скрито ниво, което ние не можем да видим, защото сме подтиснати от сетивата си в някакви аспекти.

Фундаменталната физика не е в недостиг на ексцентрични, неработещи предложения и е лесно да се отхвърли подобно смело твърдение. Но има аспекти в идеята на Валентини, които карат поддръжниците му да вярват, че той може би е на някакъв прав път. И както термодинамичната топлинна смърт ще ни попречи да правим нещо полезно с енергията в далечно бъдеще, то ако “квантовата смърт” на Валентини се е случвала, тя може да обясни нашата объркваща неспособност да схванем ясно някои от аспектите на природата – тези, които имат отношение към квантовата природа. “Той е уважаван и приеман сериозно“, казва Карло Ровели от Университета Aix Marseilie във Франция.

Валентини смята, че вижда първото доказателство за тази теория отбелязано в сиянието след Големия Взрив. Странно както може да се очаква е, че квантовата смърт може да вдъхне нов живот в разбирането на реалността. И това се случва почти 90 години след като светилата на теоретичната физика, сред които Алберт Айнщайн, Нилс Бор, Вернер Хайзенберг и Ервин Шрьодингер се събират в Брюксел, за да се опитат да намерят смисъл в странните резултати, които изникват от атомната физика. През 1927, на конференцията в Солвей, става ясно че субатомните общности, като електроните например, могат да възникват или като локализирани частици или като неясно разпръснати вълни. Кое ще видите, зависи от начина, по който ги измервате.

Силно обобщено, квантовите обекти изглежда съществуват в неяснотата на неопределеността преди някой да ги забележи. Новооткритото квантово свойство спин за пример, може да приеме една или две стойности, конвенционално обозначавани като “горе” и “долу“. И докато се опитвате да обозначите спина на нещо като електрона, той изглежда притежава и двете стойности в даден момент, като на случаен принцип избира кой образ да разкрие в последния момент.

Тази неяснота,  впоследствие се изяснява, като дори се разпростира от една квантова общност към друга. Ако два електрона са родени заедно, измерването на единия изглежда незабавно изменя състоянието на другия, независимо дали те са разделени на метри, километри или дори светлинни години. Айнщайн в частност не е голям фен на това “впримчване“, проклинайки го с фразата – “призрачно действие от разстояние“.

Млъкни и смятай

Математически казано, всичко това не е проблем. Всички пионери на квантовата физика показват, че квантова система, бидейки единичен електрон или двойка скачени такива, може да бъде описана посредством “вълнова функция“, която съдържа информация за всяко възможно свойство на системата, като спина например. И точно като хвърляне на жребий, не може да бъдете сигурни, коя страна на вълновата функция ще видите, когато правите измерването.  Но с пъргав математически трик – повдигането на квадрат на вълновата функция – прави възможно да се калкулира възможността тези различни страни да се покажат.

Подобни ловки измами ни позволяват да изградим солидни технологии базирани на неясни квантови основи – от лазери до компютри, соларни елементи и ядрени централи. Но сме оставени да се чудим какво означава всичко. Преди измерването, е ли електрона наистина извлечен от облака на вероятности, всичко и нищо наведнъж, както вълновата функция подсказва? И как може да знае електрона какво прави неговия партньор в другия край на стаята, или в другия край на галактиката?

След 1927-ма, повечето физици се установяват около един и същ отговор на този въпрос. Познато по-нежно като  школата – “млъкни и смятай“, и по-формално интерпретация от Копенхаген, след като институцията на която Бор е основен двигател заработва. Школата е на мнение, че квантовата механика е по-скоро инструмент, който ни помага в предсказването на това, което се случва в света, вместо непременно да бъде описание на самата реалност. Работи – просто не питай защо!

Валентини не е първият, който счита това за измъкване. Срещата през 1927-ма вдъхва въздух на няколко съперничещи си интерпретации – факт, който често се пренебрегва, тъй като историческите записи са писани главно от поддръжници  на взелата превес в Копенхаген интерпретация, като Хайзенберг и Бор. “Историята, която обикновено четете в учебниците е твърде изкривена” – казва Валентини.

Визията на Валентини за квантовата смърт е базирана на една от тези ранни съперничещи теории. Тя е продукт на мисълта на  френския физик Луи Дьо Бройл и за разлика от интерпретацията от Копенхаген, тя ясно заявява какво е реално в квантовия свят: Всяка частица съществува на определено място, с определени свойства през цялото време и се управлява от еквивалентно реална “контролна вълна“. Сдвоените електрони  са свързани посредством контролната вълна по начин такъв, че размърдване на единия край – при манипулация на електрона например при измерване на спина му, незабавно предизвиква размърдване в другия край – при другия електрон, което изменя и неговите свойства също. И това което виждаме като призрачно действие от разстояние всъщност е резултат от сложна заплетена мрежа от контролни вълни свързваща нещата на ниво скрито от погледа ни. Притеглянето на пилотната-вълна според теорията на Дьо Бройл е това, което прави точно същите предвиждания като стандартната квантова механика и по този начин теорията приема всички експериментални резултати до днешна дата. Но това е двуостър меч: би означавало, че няма начин да се тества дали това е по-добро описание на реалността от квантовата механика.  Предвид на факта, че теорията очертава мистериозни, загадъчни слоеве реалност, повечето физици предпочитат да запазят мълчание и да се придържат към Копенхаген.  Но нещо оставя Валентини недоволен. Въпреки уговорката на Айнщайн, нямаме сериозно съмнение че, призрачното действие съществува: използваме връзките между сдвоените частици, за да създадем виртуално неразрушими техники за безопасен трансфер на информация. Странното е това, че знаейки, че “някаква” комуникация между частиците трябва да се случва хиляди пъти по-бързо от скоростта на светлината,  не можем да използваме връзката, за да пращаме в действителност съобщения толкова бързо. Това централно свойство на квантовата теория е странно излишно. Твърдото правило на Айнщайн, че нищо физическо не може да се движи по-бързо от светлината си стои непокътнато.
Причината, Валентини първи да го установи в ранната 1990-та, лежи във възможностите, които произлизат от повдигането на квадрат на вълновата функция. След като направите тази калкулация за множество двойки сдвоени електрони и за всеки електрон в двойката ще изглежда че е със спин-нагоре в точно половината от примерите и със спин-надолу в другата половина от случаите. Това еквивалентно делене е съществено. Ако е друго и различно съотношение –  100:0, 80:20, или дори 51:49 – бъркането с електроните от едната страна може да предизвика забележима промяна на тези от другата страна, което може да се отчете като незабавен трансфер на информация. (виж. диаграмата вдясно).

Подобно разделение – 50:50 изглежда като изключително фино прието уравновесено състояние на Вселената. В очите на Валентини това е вероятно само при наличието на физичен механизъм, който да го предизвика. Ортодоксалната квантова механика казва, че Вселената е изградена изцяло върху вероятности: това е просто начина по който става, без да има причина да вярваме, че не е било така винаги. Контролните вълни биха направили нещата малко по-различни. И това е мястото, където се включва термодинамиката. Погледнете индивидуалните молекули в съд с газ и те са точно със същата температура и разпръснати навсякъде из достъпния обем съблюдавайки същото смъртоносно равновесие, което някой ден Вселената ще търси.  По сходен маниер, опита обаче ни казва, че не е много правдоподобно молекулите да са започнали по този начин. Когато са вкарани в съда, те са били в някакво неравновесно състояние, може би концентрирани близо до пропусквателния отвор.

По същия начин Валентини изтъква, Големия Взрив ражда Вселената в неравновесно квантово състояние. В тези първи моменти, свойствата на частиците може би са били силно определени, с всички с горни спинове на едно място и всички с долни спинове – на друго такова. Но изключителната топлина и стремително развитие са били причината изключително сложната паяжина от контролни вълни да се стреми по естествен начин към спокойствие в по-просто състояние. За една малка част от секундата, контролната вълна направлявала Вселената. И за разлика от продължителните гърчове на термодинамичната смърт, квантовата такава идва незабавно.

Разширението от Валентини на теорията за контролната вълна а’ла Дьо Бройл показва, че тези подозрителни еквивалентно-възможни деления и нашата свързана невъзможност да използваме призрачното действие на разстояние, не са поради вид конспирация или фини-настройки. Те са естественият край за Вселена започваща в някаква друга квантова конфигурация. Повечето физици нямат връзка със ситуация, при която информацията може да бъде премествана по-бързо от скоростта на светлината, което е бил точно случая в ранната Вселена на Валентини. Това би преобърнало уважавани концепции, които са доказали стойността си през миналия век, като например идеята, че времето е относително и няма ни един часовник отброяващ пулса на Вселената. “За мен това е много тревожещо,” казва теоретикът Даниел Сударски от Националния Независим Университетът на Мексико. “Tова ще промени цялата ни концепция за природата на релацията пространство-време.” Реликви от времето преди квантовата смърт може би живеят в нашата сегашна вселена, потенциално предизвикващи хаос в нашето понятие за това какво физиката позволява или не.
И независимо дали е такъв или не случая, Валентини мисли че има основания, които да дадат нов живот на цялата идея за квантовата смърт. Скоро след Големият Взрив, докато още се гърчи в родилните мъки на квантовата смърт, се смята че Вселената е преживяла краткотраен импулс на светкавична експанзия позната като раздуване, което е подсилило малките разлики в плътността и фактически е посяло семената на звездите и галактиките, които виждаме днес.

По-рано през този месец изследователи от експеримента BICEP2 на Южния Полюс докладваха, че са открили сведение за раздувания отбелязани по поляризационните изображения на космическите микровълни останали след Големият Взрив. През 2007-ма, Валентини предсказва че това раздуване ще има увеличение във флуктуациите на плътността, такива които не са достигнали квантово равновесие. Странното разпределение ще бъде отбелязано в основата на микровълните като лека загуба на енергия при по-дълги дължини на вълните. Година по-късно данните от сателита Планк, на Европейската Космическа Агенция ни дадоха и първото убедително доказателство, че подобен енергиен дефицит е налице (arxiv.org/abs/1303.5075). “Това са добри новини,” казва Валентини.  “Качествено погледнато – пасва.”  Но не всички са съгласни. Глен Старкман от Университета Кейс Уестърн Ризърв в Кливлънд в Охайо, казва че вече белези за енергиен дефицит в данните има още от предшественика на Планк , сателита на NASA – Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Валентини е знаел за това, което прави неговата версия ретроспективна. Старкман допълва: “Той трябва да предложи определено предсказване за нещо, което нямаме вече измервано
Валентини приема подобен скептицизъм. Заедно с колегата си от Клемсън, Самуел Колин, той работи върху по-детайлна визия как  свойствата идващи от произхода на космическите вълни би трябвало да варират с тяхната дължина на вълната. Това би засегнало не само енергията, но така също и анизотропията – неуравновесеността в разпределение на флуктуациите по протежение на пространството. “Ще бъде, като да удариш две птички с един камък,” казва той. “С две парчета доказателство, ще имаме забележително по-силна и аргументирана позиция.”
Междувременно Валентини се обръща към разума. Преди всичко, термодинамиката ни позволява да извършваме полезна дейност – единствено след предсказаната топлинна смърт природата ще застине мързеливо.  Не е ли по разумно да приемем, че нашата неспособност да използваме, това което квантовата теория предлага е резултат от аналогична квантова смърт?
Това, което винаги ме е озадачавало е, че имаме някакъв тип конспирация,” споделя Валентини. “От една страна, квантовата теория изглежда е фундаментално не-локализирана – нещо пътува по-бързо от светлината. От друга страна не можеш да го използваш, за да изпратиш сигнал. И просто интуитивно, на мен ми изглежда, че нещо става извън полезрението ни.

n00bscientist.wordpress.com agrees to indemnify RBI and New Scientist against any claim arising from incorrect or misleading translation.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s