Теоретическая физика не одно десятилетие пытается объединить квантовую механику и Общую теорию относительности в одну теорию квантовой гравитации. Но одно из главных препятствий — так называемая проблема времени.

В квантовой механике время универсально и абсолютно: его постоянный ход диктует запутывание между частицами. В то же время в Общей теории относительности — теории гравитации Альберта Эйнштейна — время относительно и динамично, оно представляет собой измерение, неразрывно переплетенное с пространственными измерениями, формируя таким образом четырехмерную ткань пространства-времени. Эта ткань искривляется, когда на ней находится вещество, из-за чего все, что находится вокруг него, — если оно обладает большей массой — начинает падать по направлению к нему, замедляя течение времени относительно часов, находящихся вдалеке. Этого же эффекта можно достичь, если сесть в ракету и ускориться при помощи топлива: для вас время замедлится, вы будете стареть не так быстро, нежели ваши друзья и родные на Земле.

Объединение квантовой механики и Общей теории относительности требует примирения их абсолютного и относительного понимания времени. Постепенно исследования в области теоретической физики, похоже, подводят ученых к черте объединения, а также пониманию истинной природы времени.

Многие ведущие физики сегодня склоняются к тому, что пространство-время и гравитация — это эмерджентные феномены. Изгибающееся и искривляющееся пространство-время и вещество в нем — что-то сродни голограммы, происходящей из сети запутанных кубитов (квантовых битов информации), вроде трехмерной окружающей среды в видеоигре, которая запрограммирована в форме классических битов на кремниевом чипе. Физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии сказал: «Думаю, сейчас мы понимаем, что пространство-время — по сути, всего лишь геометрическая репрезентация запутанной структуры этих фундаментальных квантовых систем».

Исследователи разработали математический аппарат, с помощью которого показали, как голограмма появляется в «игрушечных» вселенных с геометрией пространства-времени в виде «рыбьего глаза» — в антидеситтеровском пространстве. В этих искривленных мирах пространственные приращения все больше сокращаются по мере движения от центра. В конце концов пространственное измерение, простирающееся от центра, сжимается в ничто, доходя до своего предела. Наличие этого предела, который содержит на одно пространственное измерение меньше, чем внутреннее пространство-время, или «балк», помогает в вычислениях, предоставляя твердое основание, на котором можно моделировать запутанные кубиты, проецирующие голограмму внутри такой вселенной. Внутри балка, согласно моделям и вычислениям, время начинает сильно искривляться вместе с пространством.

Состояния кубитов развиваются в соответствии с универсальным временем, словно выполняя последовательности в компьютерном коде, при этом производя искривленное, релятивистское время в балке антидеситтеровского пространства. Единственное но — в нашей Вселенной все работает не совсем так.

Согласно моделям, запутанность постепенно создает пространство-время. Сначала друг с другом запутываются отдельные частицы, которые затем запутываются с другими запутанными парами. По мере запутывания все большего количества частиц возникает четырехмерная структура пространства-времени / © Olena Shmahalo/Quanta Magazine

Здесь ткань пространства-времени обладает деситтеровской геометрией, растягиваясь, когда вы смотрите вдаль. Ткань растягивается, пока Вселенная не упрется в предел, сильно отличающийся от того, что есть в антидеситтеровском пространстве, — и это будет конец времени. В тот момент, во время события, известного как тепловая смерть Вселенной, пространство-время растянется настолько сильно, что все в нем потеряет причинно-следственную связь друг с другом. Можно сказать, тогда время разрушится. Как только это случится, во Вселенной уже ничего не будет происходить.

На безвременной границе нашего пространственно-временного пузыря запутанности, связывающие между собой кубиты (и шифрующие динамическую внутренность Вселенной), предположительно, остались бы нетронутыми, так как эти квантовые соотношение не требуют передачи сигналов. Но в таком случае состояние кубитов должно быть статичным и безвременным. Такой ход рассуждений предполагает, что каким-то образом — как кубиты на границе антидеситтеровского пространства порождают внутреннюю область с одним дополнительным пространственным измерением — кубиты на безвременной границе деситтеровского пространства могут породить Вселенную со временем, в частности с динамическим. Ученые еще не выяснили, как именно проводить эти вычисления в деситтеровском пространстве, — четкого понимания о возникновении времени еще нет.

В 1980-х физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс обнаружили зацепку. Пейдж, работающий сегодня в Альбертском университете, и Вуттерс, работавший до 2017 года в Колледже Уильямса, обнаружили, что глобально статичная запутанная система может содержать в себе подсистему, которая развивается, с точки зрения наблюдателя, внутри нее. Такая система, известная как «историческое состояние», состоит из подсистемы, запутанной с тем, что можно назвать часами. Состояние подсистемы различается в зависимости от того, находятся ли часы в состоянии, при котором часовая стрелка указывает на единицу, двойку, тройку и так далее. Тем не менее общее состояние системы с часами не меняется, так как времени как такового нет. Это неизменное состояние. Другими словами, в глобальном смысле времени не существует, но в подсистеме возникает эффективное понятие времени для нее.

В 2013 году команда исследователей из Италии экспериментально продемонстрировала этот феномен. Подводя итоги своей работы, ученые сообщали: «Мы показываем, как статическое запутанное состояние двух фотонов можно рассматривать в качестве развивающегося с точки зрения наблюдателя, использующего один из двух фотонов как часы — для оценки временного развития другого фотона. Однако сторонний наблюдатель может показать, что глобально запутанное состояние не развивается».

Другая теоретическая работа, также проведенная в 2013 году исследователями из Калифорнийского технологического института (Калтех), привела к очень похожим выводам. Геометрические паттерны — вроде амплитуэдра, — описывающие результаты взаимодействий между частицами, также подразумевают, что реальность возникает из чего-то безвременного, абсолютно математического. Однако пока не ясно, как именно связаны амплитуэдр и голография.

Амплитуэдр в представлении художника – вновь открытый математический объект, похожий на многогранную жемчужину в высших измерениях / © Andy Gilmore

В книге «Порядок времени» (The Order of Time) физик Карло Ровелли тоже описывает время как эмерджентный феномен. По его словам, абсолютного понятия одновременности каких-либо двух событий не существует из-за ограничений физических законов. Например, даже смотря на какой-то объект, мы видим его не в тот момент, в который мы на него посмотрели, как минимум по двум причинам. Так, свету необходимо пройти какое-то расстояние от объекта до глаза, а затем зрительному сигналу нужно дойти до мозга, где он в итоге будет обработан, прежде чем мы «получим картинку». Ровелли утверждает, что время — не более чем результат приближений и упрощений, которые позволяют нам, людям, воспринимать реальность в соответствии с нашими ограничениями.

Время от времени появляются работы, в частности по исследованию квантовых систем, в которых предполагаются независимость от причинно-следственных связей, течение времени назад и множество других необычных феноменов. Возможно, время и впрямь может возникнуть из безвременных степеней свободы при помощи запутанности. Время покажет.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Великий фильтр на страже космической тишины;

– Альберт Эйнштейн и его уникальное наследие;

– Десять красивых опытов, которые вы можете провести дома вместе с детьми.

Точка является нольмерной, потому, что у нее нет ни длинны, ни ширины, ни высоты, ни размера (то, что отображено на скрине - лишь условное обозначение местоположения точки). В режиме выделения точек мы ее перемещаем на определенное расстояние от центра и применяем модификатор вращения. Данный модификатор создает форму на основе вращения фигуры. После него обязательно надо применить модификатор пересчета, чтобы направленность всех точек совпадала. Получаем 2D круг.

Круг является двухмерной фигурой, потому, что обладает двумя величинами - высотой и шириной. В двухмерном пространстве возможно вращение вокруг точки в одну сторону (туда/обратно). Уже есть понятие размера, можно двигаться в двух направлениях - вверх/вниз и вправо/влево. У фигур есть 4 стороны - верх, низ, правая сторона и левая. В 2D можно провести 2 линии, которые взаимно перпендикулярны. Но, поскольку двухмерные фигуры обладают нулевой третьей величиной, при взгляде с трехмерного пространства, мы видим их плоскими.

Повернув на 90 градусов в третьем измерении в режиме выделения и опять же, применив модификатор пересчета, применяем модификатор выдавливания, и выдавливаем второй круг из первого по оси y, и получаем 3D цилиндр.

Трехмерные фигуры обладают тремя величинами - длинной, шириной и высотой. В них есть 3 направления и 3 стороны поворота: право/лево, перед/назад и верх/низ. Соответственно у фигур есть 6 сторон. Здесь есть 3 взаимно перпендикулярные линии. Цилиндр спереди, сзади, справа и слева выглядит, как на рисунке выше, а сверху и снизу, как на рисунке ниже.

Трехмерные фигуры обладают нулевой четвертой величиной, поэтому при повороте в четвертом измерении, объемный трехмерный цилиндр является плоским.

Снова применяем модификатор выдавливания и на этот раз выдавливаем по оси w еще один цилиндр. Чтоб фигура размещалась по центру, выделяем все и применяем модификатор центра осей. Получаем четырехмерный кубиндр.

Четырехмерные фигуры обладают четырьмя величинами - длинной, шириной, высотой и густотой (густота здесь - размерность, не путать с консистенцией). Появляются 4 направления движения - перед/назад, право/лево, верх/низ и ана/ката. Можно провести 4 взаимно перпендикулярные линии. Вращение происходит вокруг плоскотси. Как ни странно, здесь 6 сторон вращения, а у фигур 12 сторон. Количество сторон вращения в пространствах разной размерности определяется по формуле (n * (n-1))/2, где n - это количество измерений пространства. Подставив вместо n соответствующее число измерений, получаем возможность вращения туда/обратно для 0D - 0, 1D - 0, 2D - 1, 3D - 3, 4D - 6.  12 сторон фигур прозваны перед, зад, право, лево, верх, низ, ана, ката, тетрап, тетротом, исайд, аусайд. Соответственно сана, ската, стетрап и стетротом, кубиндр выглядит, как на рисунке выше; сисайд, саусайд, спереди, сзади, слева и справа кубиндр выглядит, как на рисунке ниже.

А сверху и снизу, кубиндр выглядит, как на рисунке еще ниже.

Процесс создания кубиндра вы можете увидеть на следующем видео: https://www.youtube.com/watch?v=KUwWPsXFLOA&t=2s

Поскольку у трехмерных фигур нулевая четвертая величина, при повороте в четвертом пространственном измерении, они выглядят плоскими. Данную особенность можно использовать для построения четырехмерных аналогов трехмерных фигур. В данном посте рассмотрим четырехмерный конус. У его трехмерного аналога двухмерный круг лежит в основании. Круг - как известно, плоская фигура, и если напротив центра круга поставить точку в третьем измерении, и соединить с ней края круга, получится конус. Аналогично строится четырехмерный конус, только вместо круга, в основании у него лежит трехмерная сфера, которая, как уже выше упомянуто - плоская при повороте в четвертом измерении, хотя при вращении в трех измерениях, она объемная.

Как это выглядит при вращении в трех и четырех пространственных измерениях, можно посмотреть на данном видео: https://youtu.be/bovmPHE4IUM

Гиперобъем четырехмерной сферы вычисляется по следующей формуле: