В новом эпизоде подкаста Theories of Everything физик Хуан Малдасена, профессор Института перспективных исследований (IAS) и автор одной из самых цитируемых работ в истории теоретической физики, обсуждает фундаментальную природу пространства-времени. В беседе с ведущим Кёртом Джаимунгалом он объясняет, почему геометрия Вселенной может быть лишь внешним проявлением квантовой запутанности, и как современные исследования черных дыр помогают разрешить парадоксы, стоящие перед наукой уже полвека.
🌌 Природа пространства-времени: эмерджентность и кубиты 1:38
В классической общей теории относительности (ОТО) пространство-время является первичным понятием, своего рода ареной, на которой разворачиваются события . Однако Малдасена отмечает, что при попытке объединить ОТО с квантовой механикой физики приходят к выводу: пространство-время может быть «сделано» из чего-то более фундаментального .
По мнению профессора, удобнее всего представлять пространство-время как эмерджентную структуру, возникающую из квантовых степеней свободы — кубитов. Эти фундаментальные единицы информации могут «жить» на границах пространства-времени, формируя его внутреннюю геометрию через свои взаимодействия .
Малдасена выделяет ключевые концепции этого подхода:
- Поля как основа: В современной физике реальность описывается не частицами, а квантовыми полями (электромагнитным, полем Хиггса и т. д.) .
- Гравитация как поле: В ОТО сама метрика (геометрия) пространства ведет себя как поле, но физики пока умеют описывать её лишь классически или приближенно .
- Точки разрыва: Современные теории «ломаются» в двух местах: в момент начала существования Вселенной (Большой взрыв) и в центрах черных дыр .
🕳️ Тайны черных дыр: сингулярность и «островная» формула 11:41
Одним из величайших вызовов современной физики Малдасена называет понимание интерьера черных дыр. Ученый утверждает, что сингулярность — это не «место» внутри дыры, а событие в будущем любого объекта, пересекшего горизонт событий . Сингулярность, по его словам, является лишь названием для процессов, которые наука пока не в силах описать .
В обсуждении значимых прорывов последних 15 лет Малдасена выделяет «островную формулу» (island formula) и работу Стивенсона, Пеннингтона и других исследователей . Этот математический аппарат позволил по-новому взглянуть на информационный парадокс Хокинга:
- Информационный парадокс: Хокинг полагал, что излучение черной дыры тепловое и безликое, а значит, информация о попавших внутрь объектах теряется навсегда .
- Решение: Островная формула позволяет вычислить энтропию излучения Хокинга способом, согласующимся с унитарностью квантовой механики (сохранением информации) .
- Кривая Пейджа: Благодаря этим наработкам физики смогли теоретически подтвердить «кривую Пейджа», описывающую, как информация сначала покидает черную дыру медленно, а затем возвращается полностью по мере испарения объекта .
Как отмечает Малдасена, эти расчеты основаны на технике траекторных интегралов. Хотя многие выводы получены в «евклидовом» (мнимом) времени, последние работы подтверждают их справедливость и для реального лоренцевого времени .
🔗 ER = EPR: геометрия как квантовая запутанность 34:15
Одной из самых концептуальных идей, обсуждаемых в интервью, является принцип ER = EPR, предложенный Малдасеной и Леонардом Сасскиндом. Название отсылает к двум работам Эйнштейна 1935 года: о мостах между черными дырами (ER — Эйнштейн-Розен) и о квантовой запутанности (EPR — Эйнштейн-Подольский-Розен) .
Суть гипотезы заключается в следующем:
- Две черные дыры, находящиеся в состоянии квантовой запутанности, соединены общим внутренним пространством — кротовой норой (червоточиной) .
- Запутанность создает геометрию: Пространственная связь между двумя удаленными точками буквально является тем, как запутанность выглядит «изнутри» .
Малдасена признает, что утверждение «ER = EPR для любой запутанности» (даже для двух простых частиц) — это скорее амбициозный лозунг или принцип, чем доказанный факт . Для этого потребовалось бы новое, более широкое определение геометрии, отличное от уравнений Эйнштейна .
🚀 Проходимые кротовые норы и их ограничения 41:56
Обсуждая возможность перемещения через кротовые норы, Малдасена разочаровывает поклонников научной фантастики: такие объекты вряд ли существуют в нашей Вселенной .
- Классический запрет: Уравнения Эйнштейна запрещают существование стабильных проходимых червоточин.
- Квантовая лазейка: Квантовые эффекты позволяют существовать отрицательной энергии, которая может удерживать вход в нору открытым .
- Скорость света: Малдасена подчеркивает, что даже проходимые норы не позволяют путешествовать быстрее света. С точки зрения внешнего наблюдателя, путь через нору может занять 10 000 лет, хотя для самого путешественника из-за гравитационного замедления времени он пролетит за секунду .
Профессор также прокомментировал недавние громкие заголовки о «создании кротовой норы в лаборатории» на квантовом компьютере Google. По мнению Малдасены, это была крайне упрощенная симуляция (всего на 7 кубитах), которую сложно назвать полноценным созданием объекта . Тем не менее, он считает это важным первым шагом на пути к созданию новых состояний квантовой материи, обладающих эмерджентной геометрией .
👨🔬 Будни физика-теоретика: методы работы и совет студентам 1:08:32
Хуан Малдасена делится личными деталями своей работы в Принстоне. Его офис в IAS намеренно почти пуст: он предпочитает, чтобы ничто не отвлекало от обсуждений у доски .
- Режим: Профессор работает с 9 утра до 7 вечера, утро начинает с пробежки .
- Одержимость: Он признается, что не может легко «отключить» мозг от физических проблем, даже дома, что иногда вызывает недовольство его супруги .
- Использование ИИ: Малдасена использует большие языковые модели (LLM) как «продвинутый Google» или для проверки формул в интегралах, но считает себя «динозавром» в этой области и призывает студентов экспериментировать смелее .
Самым важным советом для молодых ученых Малдасена считает необходимость «идти к основам» (back to basics). Он вспоминает, как сам чувствовал себя недостаточно талантливым в аспирантуре, когда реальность обучения оказалась сложнее его ожиданий . Профессор убежден: нужно пересчитывать всё самому, не полагаясь на общепринятые в научной среде «предания» (lore), и не бояться начинать с простых моделей, таких как гармонический осциллятор .
-
