Выступление известного физика Влатко Ведрала (Vlatko Vedral) в Королевском институте (The Royal Institution) предлагает радикально новый взгляд на фундаментальные основы физики через призму теории информации. Вместо традиционного описания Вселенной через взаимодействие энергии и материи, ученый обосновывает концепцию мира, состоящего из квантовой информации. По мнению исследователя, именно этот подход позволит преодолеть столетний застой в теоретической физике и объединить квантовую механику с общей теорией относительности.
📊 Информационный фундамент Вселенной и наследие Шеннона 0:02
Традиционно физику определяют как науку, изучающую взаимодействие энергии и материи. Однако Влатко Ведрал утверждает, что благодаря развитию квантовой механики научное сообщество приходит к более глубокому пониманию: Вселенную лучше рассматривать как совокупность информации. При этом речь идет о весьма специфическом типе информации, основы понимания которого заложил Клод Шеннон.
Согласно математической логике Шеннона, для определения информационного объема события требуется знать только одну величину — его вероятность. Формула количественного выражения информации представляет собой отрицательный логарифм этой вероятности. Из этого вытекают важные следствия:
- Информативность события обратно пропорциональна его вероятности: чем более неожиданным является феномен, тем больше данных он в себе несет.
- Логарифмическая зависимость необходима для обеспечения независимости событий, когда они никак не влияют друг на друга, а их информационные объемы просто складываются.
В качестве иллюстрации Влатко Ведрал приводит пример с умножением вероятностей независимых явлений, таких как внезапная остановка его собственной лекции и тропический шторм в Сингапуре. В классической физике — от механики Ньютона до электродинамики Максвелла и теории относительности Эйнштейна — концепция вероятности возникает лишь из-за человеческого незнания. Спикер подчеркивает, что если бы мы знали начальные состояния всех частиц во Вселенной, мы могли бы абсолютно детерминировано предсказать будущее. Но в квантовом мире вероятностная природа фундаментальна и неустранима.
🌀 Квантовая неопределенность и математическая реальность Гейзенберга 5:45
В основе квантовой информатики лежит знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга. Физическую систему, например частицу, можно использовать как носитель информации, кодируя логический ноль или единицу через ее положение в пространстве. Скорость этой же частицы также способна служить легитимным информационным медиумом. Однако квантовая механика постулирует, что их комбинация не может одновременно выступать в этом качестве. По словам Влатко Ведрала, как только мы идеально точно фиксируем координату, мы полностью теряем представление о скорости частицы.
Для объяснения этого феномена Нильс Бор ввел понятие комплементарности (дополнительности), которое также описывает корпускулярно-волновой дуализм. Уравнение Шрёдингера, хотя и применяется для описания частиц, математически является волновым уравнением. Это породило парадокс столетней давности, связанный с поведением альфа-частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов). При фиксации в камере Вильсона они оставляют четкие прямые треки, ведя себя как классические объекты Ньютона. Возникал закономерный вопрос: если они являются волнами, почему волна не распространяется изотропно во всех направлениях?
Решение этой загадки было предложено в работах Вернера Гейзенберга, Чарльза Дарвина (внука знаменитого натуралиста) и Невилла Мотта. Мотт математически доказал, используя уравнение Шрёдингера, как волновое уравнение порождает классические треки. Механизм выглядит следующим образом:
- Изначально альфа-частица действительно движется во всех направлениях одновременно.
- Попадая в газовую среду камеры Вильсона, она сталкивается с первой молекулой и ионизирует ее, что вызывает конденсацию пара и формирование крошечного видимого облака.
- После первого столкновения вероятность того, что следующая ионизация произойдет строго по той же линии, составляет почти 100%.
Таким образом, классический прямой трек — это всего лишь последовательность дискретных квантовых измерений. Влатко Ведрал отмечает, что если рассматривать окружающий газ как квантовомеханическую систему, то математически все возможные траектории треков существуют одновременно в состоянии суперпозиции. Эта идея, позже названная Хью Эвереттом «многомировой интерпретацией», на самом деле высказывалась Эрвином Шрёдингером еще за 20–30 лет до публикаций Эверетта.
Развивая эту мысль, Ведрал напоминает об оригинальном подходе Гейзенберга. Немецкий физик полагал, что законы Ньютона верны, но физические величины являются не вещественными числами, а матрицами, которые спикер называет «Q-числами» (квантовыми числами). Главное их свойство — некоммутативность: результат умножения координаты на скорость зависит от порядка действий ($AB \neq BA$). Спикер критикует популярные тезисы о том, что квантовая механика отрицает существование реальности; реальность существует, но она построена на Q-числах, а не на классических вещественных аналогах.
🔗 Локальность против «жуткого дальнодействия» 20:56
Эрвин Шрёдингер незадолго до смерти сформулировал концепцию, исключающую необходимость в особом статусе наблюдателя. Для фиксации состояния системы не требуется сознательное живое существо — достаточно любого физического взаимодействия (каплинга) с другой частицей или молекулой газа. Влатко Ведрал выражает категорическое несогласие с популярными публикациями, утверждающими, будто человек «сам создает свою реальность».
В квантовой картине мира, основанной на Q-числах, не происходит мгновенного коллапса волновой функции, а также отсутствует «жуткое дальнодействие». Никакие сигналы не могут перемещаться быстрее скорости света. Спикер поясняет, что иллюзия сверхсветового коллапса возникает только в том случае, если исследователь пытается навязать квантовым запутанным системам рамки классических вещественных чисел. Квантовая механика полностью сохраняет локальность и причинно-следственные связи, аналогичные принципам электромагнитной индукции Фарадея.
Согласно теории, защищаемой Ведралом, привычный нам макроскопический мир подчиняется законам Ньютона именно благодаря колоссальному количеству внутренних квантовых запутанностей. В качестве топологической аналогии ученый приводит кольца Борромео — неразрывную систему переплетенных резиновых лент, распадающуюся при извлечении одного элемента. Логически физику следует преподавать, начиная с квантовой механики как фундамента, рассматривая классическую физику лишь как ее частный случай. Основная сложность фиксации квантовых эффектов в крупных объектах заключается не в законах природы, а в том, что паразитная запутанность с остальной Вселенной мешает нам увидеть их истинную квантовую природу.
🍏 Квантовая гравитация: эксперимент на миллиардную долю килограмма 28:11
Квантовая суперпозиция ведет себя подобно вирусу: соприкасаясь с любым объектом, она автоматически вовлекает его в квантовое состояние. Это справедливо для электромагненизма, однако гравитация до сих пор описывается физиками исключительно классическим образом. Общая теория относительности Эйнштейна оперирует обычными вещественными числами.
Для проверки квантовой природы гравитации Влатко Ведрал совместно с Чиарой Марлетто (Chiara Marletto), а также независимая группа Сугато Бозе (Sougato Bose) предложили изящный эксперимент, не требующий сложных математических выкладок. Суть теста заключается в следующем:
- Берутся две наносферы массой около одного нанограмма ($10^{-12}$ кг), что в тысячу миллиардов раз меньше килограмма.
- Каждая наносфера с помощью расщепителя пучка переводится в состояние пространственной суперпозиции, то есть находится в двух местах одновременно.
- Осцилляторы размещают в непосредственной близости для обеспечения сильного гравитационного взаимодействия.
- Физики фиксируют, возникнет ли между ними квантовая запутанность исключительно за счет сил гравитации.
На сегодняшний день как минимум три или четыре научные группы ведут технологическую гонку за право первыми реализовать этот эксперимент. По мнению коллеги Ведрала из Имперского колледжа Лондона, обнаружение гравитационной запутанности станет первым в истории опровержением (фальсификацией) общей теории относительности Эйнштейна. Сам спикер ставит на то, что гравитация окажется квантовой, признавая, что в терминах теории Шеннона противоположный исход стал бы куда более грандиозной сенсацией для науки.
🦠 Квантовая биология: тихоходки и бактерии в криогенных камерах 38:11
Еще одна область ожесточенных дискуссий — применимость Q-чисел к живым системам. Часть научного сообщества полагает, что сознание или сама жизнь приводят к коллапсу квантовых состояний. Влатко Ведрал выступает против этой гипотезы, стремясь экспериментально воссоздать аналог парадокса шрёдингеровского кота. Сам Шрёдингер спустя 20 лет после публикации своей знаменитой статьи изменил первоначальное скептическое мнение и признал, что Вселенная действительно может существовать только в виде множественных реальностей.
В подтверждение этой позиции ученый ссылается на успешные эксперименты своего коллеги Дейва Коулза (Dave Coles), который поместил живую бактерию внутрь микрорезонатора между зеркалами, разнесенными на микроскопическое расстояние. Облучая образец светом, физики зафиксировали энергетический зазор в структуре бактерии, возникший из-за ее запутанности с фотонами внутри полости. Это доказало, что статус живого организма не разрушает квантовую суперпозицию.
Другой прорывной эксперимент провел Райнер Думке (Rainer Dumke) в Сингапуре. Ему требовалось охладить систему до экстремальных температур, поэтому в качестве биологического объекта была выбрана тихоходка, известная своей феноменальной выживаемостью. Думке успешно связал тихоходку со сверхпроводящим кубитом при температуре 4 Кельвина (что в сто раз ниже комнатной) и экспериментально доказал их квантовую запутанность.
В настоящее время исследовательская группа Ведрала получила грант от Фонда Мура (Moore Foundation) в размере 3 миллионов долларов сроком на пять лет для реализации еще более амбициозной задачи — запутывания двух независимых живых бактерий. Государственные фонды, как отмечает спикер с долей иронии, отказываются спонсировать столь авантюрные проекты, предпочитая консервативные исследования. В рамках нового эксперимента две бактерии будут помещены в отдельные оптические полости в криогенных холодильниках с жидким гелием на расстоянии полуметра друг от друга, а разделенный фотон должен перевести их в состояние одновременного возбуждения.
🧠 Мысленный эксперимент Дойча и горизонты новой физики 46:46
Главная проблема текущих биологических исследований, по признанию спикера, заключается в невозможности спросить у бактерии, каково это — находиться в состоянии суперпозиции. Создатель квантовых компьютеров Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфорда модифицировал парадокс Шрёдингера, заменив кота человеком или развитым искусственным интеллектом, способным уместиться на 1000-кубитном квантовом компьютере.
В мысленном эксперименте Дойча исследовательница Алиса помещает наблюдателя Боба в изолированную лабораторию с квантовым объектном в состоянии суперпозиции. Боб фиксирует конкретное состояние (например, видит кота либо живым, либо мертвым). Затем Алиса передает Бобу записку с вопросом: «Видишь ли ты определенное состояние реальности?».
В обеих параллельных квантовых ветвях Боб ответит «да», поскольку в каждой из них он видит четкую классическую картину мира, а не размытую иллюзию. Чтобы доказать одновременное существование этих ветвей, Алисе потребуется полностью обратить вспять физический процесс эксперимента, стерев память Боба. Когда Боб выйдет наружу, не помня самого факта измерения, Алиса сможет математически подтвердить, что в середине опыта он находился в двух реальностях одновременно. Эксперимент Дойча доказывает, что ненаблюдаемые нами исходы в параллельных ветвях могут физически влиять на наше будущее через интерференцию. В простейшем виде этот феномен, известный как парадокс «друга Вигнера», можно смоделировать всего на трех кубитах.
В завершение лекции Влатко Ведрал цитирует знаменитую шутку Джона Белла, который спрашивал, какую ученую степень должен иметь наблюдатель для коллапса волновой функции — бакалавра или доктора философии. Ответ квантовой теории информации прост: наблюдатель не нужен вовсе, законы одинаково работают как для атомов, так и для человека. Физик прогнозирует, что до конца текущего десятилетия технологический прогресс позволит осуществить гравитационные тесты, что приведет к созданию принципиально новой физики и долгожданному объединению фундаментальных теорий.
