В ХХ веке мир потрясли две революции в физике. Одним из них была теория относительности, открытая Эйнштейном. Выяснилось, что пространство-время — это не то, что мы испытываем в повседневной жизни. Например, если вы путешествуете со скоростью, близкой к скорости света, вы будете стареть медленнее, чем тот, кто останется на Земле.
Второй революцией стала квантовая теория, микроскопическая теория частиц, таких как электроны, атомы или фотоны. Квантовая теория показала, что природа не детерминирована.
После столетия тщательных испытаний большинство физиков считают, что «случайность» или «капризность» микроскопического мира имеет фундаментальное значение.Один из самых экзотических аспектов природы — квантовая нелокальность, которая была впервые обнаружена более четырех десятилетий назад. Это называют «самым глубоким открытием науки».
Существуют различные типы нелокальности, которые, как показала квантовая механика, не могут существовать в классической физике. В классической физике для того, чтобы частица испытывала силу, она должна находиться в том же месте, где находится сила. В квантовой механике сила может находиться в одном месте, в то время как частица движется снаружи. Тем не менее, частица все равно будет ощущать эту силу.
Это называется эффектом Ааронова-Бома.Есть еще один вид нелокальности, который связан с отношениями между двумя частицами, которые в прошлом находились рядом друг с другом, а затем впоследствии были разделены на большое расстояние. Даже после того, как они были разделены далеко друг от друга, они, казалось, поддерживали странную связь — то, что Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».
Однако у этих удивительных видов связей было много ограничений. Например, частицы изначально должны были находиться рядом друг с другом, и только относительно небольшое количество частиц во Вселенной могло быть связано друг с другом одновременно.
Хотя вышеизложенное было достаточно примечательным, теперь кажется, что это была только часть истории, как продемонстрировано в недавней статье группы из Института квантовых исследований Университета Чепмена, в соавторстве с Якиром Ахароновым, Фабрицио Коломбо, Санду Попеску, Ирен Сабадини. , Даниэле Струппа и Джефф Толлаксен. Они представили новый вид квантовой связи между частицами, который преодолевает эти ограничения. Эта связь происходит все время в гораздо большем, космическом масштабе.
«Благодаря новому типу квантовых связей, который мы ввели, частицы не должны взаимодействовать в прошлом. Фактически, они даже не подозревают, что другая частица вообще существовала», — сказал Джефф Толлаксен, директор Института квантовой физики. Учится в университете Чепмена.«Это удивительный прорыв», — сказал физик Пол Дэвис из Университета штата Аризона в Темпе. «Примечательно, что все еще можно открыть что-то принципиально новое в квантовой механике, которая существует уже почти 100 лет.
Здесь мы видим более богатый и более сложный набор дальнодействующих корреляций, о существовании которых никто не знал раньше».Этот прорыв можно было увидеть только при использовании другого открытия, также внесенного Аароновым в отношении природы времени. Наш человеческий опыт времени показывает, что оно имеет определенное направление: мы рождаемся, а затем стареем, а не наоборот. Но даже имея этот опыт, мы уже делаем предположения о природе времени в микроскопическом масштабе: прошлое, которого нет здесь, настоящее, которое сейчас здесь, и будущее, которое будет здесь позже.
Ааронов обнаружил, что природа приобретает в этом индетерминизме нечто прекрасное и захватывающее: на настоящее влияет не только прошлое, но и будущее. То есть будущее (также известное как пост-выбор) может вернуться в настоящее (как в фильме «Назад в будущее»). Таким образом, квантовая механика не выбирает стрелу времени, она работает как из прошлого в будущее, так и из будущего в прошлое. Квантовый мир тонкими и значительными способами связывает будущее с прошлым; и в разительном контрасте со всем, что было известно о времени ранее.
На первый взгляд вы можете подумать, что мы могли бы построить машины времени с этой новой физикой.
Если бы у нас были такие машины времени, то, когда они вернут нас назад во времени, возникнет парадокс: если кто-то вернется во времени на машине времени и убьет своего деда, то этот человек никогда бы не родился. Если этот человек никогда не родится, как они могут вернуться и убить своего деда?
Это парадокс, который возникает, когда мы говорим, что вам разрешено вернуться из будущего и повлиять на прошлое или настоящее.Напротив, теории Ааронова (и др.) Не допускают таких парадоксов. Квантовая механика имеет правильные погрешности, так что когда кто-то проводит эксперименты в настоящем, всегда есть некоторый возможный шум в результате этого эксперимента, некоторые возможные ошибки из-за шума в квантовых неопределенностях измерительного устройства.
Всем известно, что если ваш единственный инструмент — молоток, то вы склонны обращаться со всем, как с гвоздем. И измерения «молотком», которые производятся в настоящий момент, не помогают установить соответствие будущего настоящему. Но при аккуратных измерениях открывается совершенно новый мир. Например, в некотором смысле частицы повсюду теперь более связаны, чем считалось ранее.
«Это кажется невозможным, — говорит Толлаксен. «Но это прямое следствие квантовой механики» и, добавляет он, «это действительно имеет огромное значение».Чтобы подкрепить такие экстраординарные заявления, команда Университета Чепмена представила серию новых парадоксов, которые являются следствием этого нового вида связи, но которые также могут быть проверены экспериментально.
Они назвали первое «квантовым парадоксом ящика». Классический принцип ячейки гласит: «Если вы поместите трех голубей в две ячейки, как минимум два голубя окажутся в одной ячейке». Это очевидный, но фундаментальный принцип природы, поскольку он отражает саму суть счета.
Тем не менее, команда Чепмена показала, что это неверно в квантовой механике: «Вы можете поместить бесконечное количество голубей в два ящика, и никакие два голубя не окажутся в одном ящике», — говорит Толлаксен (см. Arxiv.org/abs/1407.3194) .«Новые результаты кажутся захватывающими», — сказал Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета. «Я полагаю, что новый эффект — серьезный шаг в понимании квантовых корреляций».