Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, накладывает ограничения на гипотезу ER = EPR, показывая, что, если допущения авторов верны, согласно этой гипотезе должны наблюдаться изменения в сверхтонкой структуре и эффективном заряде атома водорода — а таких эффектов никогда не наблюдалось.
В 1935 году Эйнштейн стал соавтором двух разных статей. В первой предлагается парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (EPR), описывающий квантовую запутанность частиц. Во второй представлены мосты Эйнштейна-Розена (ER), соединяющие удалённые области пространства-времени, которые сегодня мы называем червоточинами.
Почти столетие спустя, в 2013 году, физики Хуан Мальдасена и Леонард Сасскинд выдвинули гипотезу ER = EPR, предложив связь между квантовой запутанностью и червоточинами. Она связывает запутанность — краеугольный камень квантовой механики — со связностью пространства-времени в общей теории относительности. Эта гипотеза остаётся одним из главных нерешённых вопросов современной физики.
Издание Phys.org поговорило с соавторами исследования, аспирантом Ирфаном Джаведом и профессором Эдвардом Уилсоном-Юингом из Университета Нью-Брансуика, Канада.
«Мне всегда казалась гипотеза ER = EPR весьма интригующей, — сказал Джавед. — Предыдущие исследования последствий этой гипотезы для заряженных частиц пробудили во мне интерес к попытке проверить её на практике».
Запутанность и червоточины
Парадокс EPR описывает, как связанные частицы мгновенно демонстрируют коррелированные результаты измерений, независимо от разделяющего их расстояния. Эйнштейн дал этому феномену знаменитое определение «пугающего дальнодействия» и не верил в его существование.
Эйнштейн и многие физики после него утверждали, что квантовая корреляция опирается на скрытые переменные, переносимые частицами. Однако теорема Белла и последующие эксперименты доказали, что это подлинное квантовое явление.
Эта упорная необъяснимость привела физиков к установлению неожиданной связи с мостами ER. Это теоретические туннели, соединяющие две отдельные области пространства-времени и вытекающие из математики общей теории относительности. Гипотеза ER = EPR объединяет эти два явления, предполагая, что запутанные частицы связаны квантовой червоточиной.
Говоря об этой гипотезе, Уилсон-Юинг сказал: «Она может дать некоторые подсказки для теории квантовой гравитации».
При чём тут водород
Атом водорода, состоящий из одного протона и электрона, связанных электрическим притяжением, является, пожалуй, наиболее тщательно изученной системой во всей физике. Его энергетические уровни известны с точностью до 15 значащих цифр, поэтому эксперименты оказываются чувствительны даже к малейшим отклонениям от теории.
Особый интерес представляет его сверхтонкая структура — крошечные сдвиги энергии, возникающие в результате магнитного взаимодействия между спинами протона и электрона; наиболее известна она в связи с линией излучения на длине волны 21 см, используемой для картографирования Млечного Пути.
«Атом водорода стал идеальной системой для этого исследования, поскольку его сверхтонкая структура измерена с высокой точностью — до 12 значащих цифр», — сказал Уилсон-Юинг. «Это позволило нам вывести строгие ограничения на гипотезу ER = EPR».
Важно отметить, что протон и электрон в атоме водорода внутренне запутаны — не в результате какого-либо внешнего воздействия, а просто в силу того, что они связаны друг с другом. В рамках модели авторов каждый атом водорода становится зондом предполагаемой связи между запутанностью частиц и геометрией червоточин.
Если червоточина между ними существует, утверждают исследователи, часть электрического поля электрона должна просачиваться в неё; поле протона при этом должно оставаться неизменным.
«Протон не подвергается воздействию червоточины, поскольку он намного больше и фактически не видит червоточину», — сказал Джавед.
Чтобы проиллюстрировать механизм утечки, Уилсон-Юинг привёл аналогию: «Представьте себе электрическое поле электрона в виде жидкости. Что произойдёт, если сливное отверстие разместить рядом с источником? Часть жидкости утечёт в слив. Червоточина в данном случае подобна сливной трубе, в которую может утекать часть электрического поля».
Эта утечка привела бы к ослаблению эффективного заряда электрона, и в такой точно измеренной системе, как атом водорода, это ослабление можно легко обнаружить.
Проверка гипотезы
Поскольку гипотеза ER = EPR пока не сформулирована в чёткой математической форме, позволяющей делать прямые предсказания, исследователям пришлось построить модель, которая позволила бы им рассчитать, что эта гипотеза означает для водорода.
Во-первых, они предположили, что доля электрического поля электрона, проникающего в червоточину, пропорциональна энтропии запутанности между протоном и электроном. Эта энтропия показывает, насколько сильно запутаны две частицы. Во-вторых, они предположили, что данный эффект влияет только на точечные частицы, а не на составные объекты, такие как протон, размер которого намного превышает масштаб квантовой гравитации.
При этих допущениях эффективный заряд электрона для внешнего наблюдателя кажется ослабленным, как будто часть его электрического поля исчезла в червоточине. Подавление зависит от энтропии запутанности, поэтому более запутанные состояния испытывают более сильный эффект.
Важно отметить, что не все спиновые состояния водорода запутаны в равной степени. В синглетном состоянии, где спины максимально запутаны, имел бы место полный эффект подавления, тогда как в незапутанных триплетных состояниях — нет.
Гипотеза проверялась с использованием этого различия между запутанными и незапутанными состояниями в пределах одного атома. Любой эффект ER = EPR проявился бы в виде измеримой разницы в энергии между этими состояниями.
Что они обнаружили
Исследователи выявили два наблюдаемых признака, которые эффект ER = EPR должен был бы вызвать в водороде.
Во-первых, утечка электрического поля должна была бы ослабить сверхтонкое расщепление между запутанными и незапутанными спиновыми состояниями. Во-вторых, если червоточина непроходима, водород должен был бы нести небольшой, но ненулевой суммарный заряд, несмотря на то, что атом является электрически нейтральным с точностью до 20 знаков после запятой.
Ни один из этих эффектов обнаружен не был. Это накладывает строгие ограничения на силу любого потенциального эффекта ER = EPR, предполагая, что этот эффект, если он вообще существует, должен быть как минимум в миллион раз меньше, чем естественные оценки, полученные только на основе сверхтонкой структуры, и в миллиард раз меньше по сравнению с измерением нейтральности.
«Ограничения, вытекающие из наблюдений, очень сильны», — сказал Джавед. «Нынешнее ограничение носит теоретический характер, поскольку гипотеза ER = EPR пока не сформулирована достаточно точно, чтобы предсказать, насколько сильным должен быть этот эффект».
Будущие эксперименты
Это исследование открывает несколько направлений для дальнейших изысканий. Более тяжёлые атомы, такие как цезий, рубидий и калий, спектры которых известны с точностью, сопоставимой с водородом, и которые легче удерживать в экспериментальных условиях, могут дать ещё более строгие ограничения.
Эксперименты по обнаружению запутанности, изначально разработанные для изучения квантовой природы гравитации, также можно адаптировать для проверки соотношения ER = EPR с помощью электрических взаимодействий. Однако ставки здесь гораздо выше, чем просто установление ограничений.
«Это обеспечит наблюдательную поддержку гипотезы ER = EPR, а именно того, что запутанные частицы связаны квантовыми червоточинами и что существует связь между запутанностью и связностью пространства-времени», — сказал Уилсон-Юинг. «Это также стало бы доказательством существования квантовой гравитации, которое включает в себя как квантовую теорию, так и геометрию пространства-времени, что стало бы важным шагом вперёд для этой области».
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1046231/