Макромир в окружении антиматерии

 

Влияние антиматерии на движение материи имеет три существенно отличающихся уровня, у которых и различное математическое описание. На уровне элементарных частиц это влияние описывается волновыми уравнениями для антиматерии, так как движение элементарных частиц сопровождается распространением волн плотности в антиматерии.

Механика Ньютона, справедливая в неподвижной антиматерии, дополненная силами гравитации, эквивалентными полю скоростей течения антиматерии, является приближенным методом для исследования движения материальных тел в физическом пространстве. Третий уровень влияния антимагерии на движение материи значительно отличается от первых двух. Здесь уже расстояния между галактиками таковы, что определяющая роль в их взаимодействии принадлежит силам отталкивания антиматерии. Движение галактик основывается не на инерции и гравитации, а на течении идеальной среды, каковой является антиматерия.

Направление гравитационной силы в каждой точке пространства совпадает с направлением течения антиматерии. Это не соответствует положениям классической механики о том, что гравитационная сила всегда направлена в сторону притягивающего центра.

Отклонение течения антиматерии от радиального направления происходит вследствие вращения источника и оказывает заметное влияние, в частности, на движение материи вокруг звезд и ядер галактик. Однако эти материальные образования имеют различное внутреннее строение, в результате чего для ядра галактики отклонение течения антиматерии от радиального нарастает при удалении от центра, а для звезды, наоборот, с приближением к поверхности.

Иными словами, ядро галактики вращается вместе с антиматерией, а звезда при вращении увлекает поверхностный слой антиматерии. Этим и обусловлено незатухающее движение материи при удалении от ядра галактики, которое трактуется в современной космологии как влияние скрытой массы, и ускоренное движение материи с приближением к поверхности звезды, примером которого является смещение перигелиев планет Солнечной системы.

Из уравнения состояния антиматерии следует, что физическое пространство постоянно находится в условиях однородного сжатия (Р_а0, Р_а<0). В любом ограниченном объеме это невозможно, потому что давление и плотность на границе равны нулю. Поэтому можно утверждать, что в модели физического пространства Вселенная является неограниченной. Более того, ограниченность Вселенной означала бы, что ее границей является пустота и по всей границе происходит непрерывный процесс образования материи и антиматерии, т. е. излучение от границы намного превосходило бы излучение от всей материи внутри Вселенной.

Альтернативой Большому Взрыву или причиной расширения в модели физического пространства являются местные аннигиляции больших объемов материи и антиматерии, в частности взрывы сверхновых звезд. Поскольку объем образующейся пустоты значительно меньше эквивалентного объема антиматерии, при взрывах происходит местное сжатие Вселенной.

Таким образом, медленное и всеобщее расширение Вселенной сопровождается быстрыми местными сжатиями. Образующийся при этом ограниченный объем пустоты в результате деления на множество более мелких пустот и их «горения» вновь превращается в галактику. Известно же, что взрывы сверхновых сопровождаются образованием туманностей. Одной из проблем современной физики является объяснение образования звезд, планет и т. д. из протоматерии, равномерно распыленной в пространстве Большим Взрывом и находившейся в состоянии расширения, т. е. уменьшения плотности и притяжения между частицами.

В модели физического пространства почти вся материя образуется на поверхности ограниченного объема пустоты и находится в состоянии постоянного притяжения к ее центру. В этом процессе можно выделить две стадии. Первая — это деление исходной пустоты, образовавшейся в результате крупномасштабной аннигиляции, когда «осколки» удаляются друг от друга под действием сил отталкивания антиматерии. И вторая — это превращение «осколков» в сферы путем отделения выступающих частей.

Так как эти стадии разнесены во времени, на «осколках» уже имеется поверхностный слой материи, и на отделяющиеся части действуют не только силы отталкивания, но и силы притяжения, которые превращают их в естественные спутники. В реальном мире с этими стадиями связано образование звездной системы галактики (первая стадия) и образование планетных систем (вторая стадия).

Очевидно, что введение физического пространства в корне изменяет представление о Вселенной. Между тем в специальной и научно-популярной литературе современные основы физики не подвергаются сомнению. Утверждение, что материя бесконечна «и вширь и вглубь», является весомым аргументом в пользу бесконечности процесса познания.

Но если предположить, что модель физического пространства верна, то очевидно, что в больших масштабах Вселенная квазипериодична, т. е. ничего существенно нового увидеть уже не удастся, а при выделении малых объемов материя просто исчезает.

От всех других моделей Вселенной, в том числе и от модели Большого Взрыва, модель физического пространства М. Гаджиева отличается простотой, которая свойственна природе и является одним из критериев истинности. О неизбежности такого упрощения говорил выдающийся физик Стивен Хокинг: «Если мы действительно откроем полную теорию, то со временем ее основные принципы будут доступны пониманию каждого, а не только нескольких специалистов».

 

КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ

 

Это одно из наиболее интересных и парадоксальных проявлений квантовой природы материи, вызывающее в последние годы огромный интерес специалистов и широкой публики. Имеется большое число теоретических и экспериментальных работ, исследующих различные аспекты квантовой телепортации.

Термин телепортация взят из научной фантастики, однако в настоящее время широко используется в научной литературе. Квантовая телепортация означает мгновенный перенос квантового состояния из одной точки пространства в другую, удаленную на большое расстояние. Впервые эффект квантовой телепортации был предложен в работе С. Bennett, G. Brassard с соавторами.

Что такое квантовая телепортация и возможно ли ее применить для мгновенного переноса макрообъектов? Не противоречит ли квантовая телепортация принципам релятивистской причинности? О связях классической и квантовой реальности делают выводы профессор Римского университета Луиджи Аккарди и доктор физико-математический наук Игорь Волович.

Л. Аккарди — один из наиболее известных итальянских ученых, создатель квантовой теории вероятностей, руководит рядом европейских научных проектов, включающих, в частности, теоретическое и экспериментальное исследование квантовой телепортации. И. Волович — известный российский ученый, специалист в области математической физики и р-адического анализа, исследовал роль пространственно-временных параметров в описании зацепленных состояний, что привело к новому подходу в телепортации квантовых состояний.

Первые идеи зародились сразу же после работ Планка, Эйнштейна, де Бройля, Бора и других основателей квантовой физики. Существенное развитие эти идеи получили с созданием квантовой механики в представлениях Шредингера и Гейзенберга. Всевозможные мысленные эксперименты, проводимые с квантовыми объектами, зачастую вели к явным парадоксам.

В 1935 году А. Эйнштейн и его сотрудники Б. Подольский и Н. Розен высказали идею, суть которой на примере элементарных частиц сводится к тому, что квантовые объекты, в качестве которых могут быть, например, два связанных фотона, в процессе разделения сохраняют некое подобие информационной связи (эффект «спутывания», «связывания» — entangled). При этом квантовое состояние одного, например поляризация или спин, может мгновенно передаваться на другой фотон, становящийся при этом аналогом первого, который коллапсирует, исчезает. И наоборот. Расстояние между фотонами может быть любым.

Это было названо эффектом, парадоксом, или каналом, Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР). В качестве синонима этого феномена принят также термин квантовая нелокалъностъ (Quantum NonLocality), подчеркивающий мгновенную распределенность, нелокальность в пространстве состояний связанных по квантовым состояниям элементарных частиц.

Стоит подробнее пояснить, что подразумевается под словами зацепленное состояние, о котором пойдет речь ниже. Имеется в виду система, состоящая из двух взаимодействующих подсистем (например, частиц), которая в какой-то момент времени распадается на две невзаимодействующие подсистемы.

Для такого зацепленного состояния значение какой-либо физической величины (например, проекции спина электрона на какую-то ось или поляризации фотона) не определено ни для одной из подсистем. Однако если мы произведем измерение одной из подсистем и определим значение выбранной физической величины, то с достоверностью будем знать значение этой физической величины и для другой подсистемы.

Примером системы, находящейся в зацепленном состоянии, являются два фотона, появившиеся в результате спонтанного параметрического распада фотона, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью (например, в кристалле ВаВ₂О₄). Для зацепленных фотонов нельзя указать, какова поляризация каждого из фотонов пары. Если же произвести измерения одного фотона и тем самым определить его поляризацию, то и поляризация другого фотона также станет определенной. Стоит подчеркнуть, что производя измерения одной частицы, мы в тот же момент определяем и состояние другой, как бы далеко эти частицы друг от друга ни находились. Таким образом, связь между частицами носит принципиально нелокальный характер.

С позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некой волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция. Но состояние каждой отдельной частицы не известно в принципе: это вытекает из соотношения неопределенностей. И только когда одна из них попадает в приемник, регистрирующий ее параметры, у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными) соответствующие характеристики. То есть возможна мгновенная «пересылка» квантового состояния частицы на неограниченно большое расстояние. Телепортации самой частицы, передачи массы при этом не происходит.

Похожим образом ведет себя разорвавшийся на две части снаряд: если до взрыва он был неподвижен, суммарный импульс его осколков равен нулю. «Поймав» один осколок и измерив его импульс, можно мгновенно назвать величину импульса второго осколка, как бы далеко он ни улетел.

Казалось бы, нарушается принцип причинности — следствие и причина не разделены временем, если понимать время как способ организации последовательности событий. Поэтому Эйнштейн и соавторы оценивали свою чисто теоретическую модель как неприложимую к практике, эксперименту. Это противоречие теории и видимой физической реальности длилось около 30 лет, хотя Н. Бор и многие другие физики полагали, что никакой проблемы здесь вообще нет.

Действительно, в рамках классического подхода, после того как система распалась на составные части, никакое воздействие на одну из частей не может изменить состояние другой части, если частицы не взаимодействуют. И более того, поскольку скорость распространения сигнала не может превышать скорости света, то при определенных условиях — в рамках классического подхода — воздействие на одну часть системы никоим образом не может повлиять на другую часть системы.

В математическом виде это утверждение было сформулировано Дж. Беллом в 1964 году в виде так называемых неравенств Белла, нарушение которых означает невозможность описать систему классическим образом и свидетельствует в пользу вероятностной трактовки квантовой механики.

Вопрос о квантовой телепортации впервые был поставлен в 1993 году группой Ч. Беннета, которая, используя парадокс ЭПР, показала, что в принципе сцепленные частицы могут служить своего рода транспортом. Посредством присоединения третьей — информационной — частицы к одной из сцепленных частиц можно передавать ее свойства другой, причем даже без измерения этих свойств.

Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена работами двух групп ученых — австрийскими исследователями из университета в Инсбруке, возглавляемыми Антоном Цойлингером, и итальянскими, из университета «La Sapienza» в Риме, под руководством Франческо Де Мартини. Опыты групп Цогшингера и Де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике для передачи через световоды состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстояниях до 10 километров.

 

ФАНТАСТИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

 

В эксперименте неполяризованный свет, проходящий через кристалл, расщепляется на два поляризованных во взаимно перпендикулярном направлении луча. В оптическом смесителе фотон взаимодействовал с одним из пары связанных фотонов. Между ними, в свою очередь, возникала квантово-механическая связь, приводящая к поляризации новой пары.

Согласно законам квантовой механики, фотон не имеет точного значения поляризации, пока она не измерена детектором. Таким образом, измерение преобразует набор всех возможных поляризаций фотона в случайное, но совершенно конкретное значение. Измерение поляризации одного фотона связанной пары приводит к тому, что у второго фотона, как бы далеко он ни находился, мгновенно появляется соответствующая — перпендикулярная ей — поляризация.

Если к одному из двух исходных фотонов «подмешать» посторонний фотон, образуется новая пара, новая связанная квантовая система. Измерив ее параметры, можно мгновенно передать сколь угодно далеко — телепортировать — направление поляризации уже не исходного, а постороннего фотона. В принципе, практически все, что происходит с одним фотоном пары, должно мгновенно влиять на другой, меняя его свойства вполне определенным образом. Однако на практике такая связь достаточно чувствительна к внешним воздействиям, поэтому необходимо изолировать частицы от внешних влияний.

В результате измерения второй фотон первоначальной связанной пары также приобретал некоторую фиксированную поляризацию: копия первоначального состояния фотона-посланника передавалась удаленному фотону. Наиболее сложно было доказать, что квантовое состояние действительно телепортировано: для этого следовало точно определить, как установлены детекторы при измерении общей поляризации, и тщательно синхронизовать их.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами — электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более стабильной. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды.

После разработки надежных методов квантовой телепортации возникнут реальные предпосылки для создания квантовых вычислительных систем.

Есть ли польза от телепортации?

Телепортация обеспечит надежную передачу и хранение информации на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными, и может быть использована для связи между несколькими квантовыми компьютерами. Кроме того, и сами разработанные исследователями методы имеют огромное значение для будущих экспериментов по квантовой механике, для проверки и уточнения целого ряда современных физических теорий.

В различных странах обсуждаются программы по применению эффекта квантовой телепортации для создания квантовых оптических компьютеров, где носителями информации будут фотоны. Первые электронные компьютеры потребляли десятки киловатт энергии. Скорость работы квантовых компьютеров и объемы информации будут на десятки порядков превосходить таковые у существующих компьютеров.

В будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети. Кстати, квантовые вирусы будут гораздо опаснее нынешних сетевых, так как после своей телепортации они смогут существовать вне компьютера. Квантовые компьютеры будут реализовывать холодные вычисления, работая практически без затрат энергии.

Можно ли узнать все?

К настоящему времени квантовая информатика обрела все признаки точной науки, включая систему определений, постулатов и строгих теорем. К числу последних относится, в частности, теорема о невозможности клонирования кубита (no-cloning theorem), строго доказанная с применением теории унитарного оператора квантовой эволюции. Это значит, что невозможно, получив полную информацию о квантовом объекте А (изначально его состояние не известно), создать второй, точно такой же объект, не разрушив первый.

Дело в том, что создание двух кубитов, абсолютно копирующих друг друга, приводит к противоречию, которое можно было бы назвать парадоксом квантовых близнецов. Однако и без того ясно, что создание двух электронов в одном и том же квантовом состоянии невозможно в силу ограничения, накладываемого принципом Паули.

Парадокс близнецов не возникает, если при клонировании снабжать копии отличительными признаками: пространственно-временными, фазовыми и др. Тогда генерацию лазерного излучения можно понимать как процесс клонирования фотона-затравки, попавшего в среду с оптическим усилением. Если же к квантовому копированию подходить строго, то рождение клона должно сопровождаться уничтожением прототипа. А это и есть телепортация.

Согласно принципу неопределенности, чем больше получено информации о некоем объекте, тем больше искажений вносится в этот объект. И так до тех пор, пока исходное состояние объекта не будет нарушено полностью, но в то же время точная копия все-таки не получится. Это звучит как весомое возражение против телепортации: если для создания точной копии из объекта невозможно извлечь достаточно информации, то похоже, что точная копия не может быть создана.

Единственный способ — извлечь часть информации, необходимой для передачи от объекта А объекту С, который никогда не был в контакте с объектом А. Затем, обрабатывая объект С в зависимости от полученной информации, возможно привести его точно в то состояние, в каком находился объект А до того, как из него была извлечена информация. Сам объект А уже не находится в прежнем состоянии, поскольку вследствие извлечения из него информации его состояние было нарушено. Так что в результате происходит не дупликация, а телепортация.

Итак, оставшаяся часть информации передается от А к С через опосредующий объект В, который взаимодействует сначала с С, а потом с А. Правильно ли говорить «сначала с С, а потом с А»? Безусловно, для того чтобы передать нечто от А к С, носитель должен сначала контактировать с А и только потом с С, а не наоборот.

Однако существует некая удивительная, несчиты-ваемая часть информации, которая — в этом ее отличие от любого материального объекта и даже от обычной информации — ив самом деле может быть отправлена таким «обратным» путем.

Сравним, как происходит передача информации по факсу и как — при квантовой телепортации.

При обычной передаче по факсу оригинал сканируется, из него извлекается часть информации и он остается более или менее прежним после сканирования. Полученная (отсканированная) информация посылается на принимающее устройство, где она отпечатывается на некоем материале (р!апример, на бумаге), и получается приблизительная копия исходного оригинала.

При квантовой телепортации два объекта — В и С — сначала соприкасаются, а потом разделяются. Объект В отправляется на передающее устройство, а С — на принимающее. В передающем устройстве объект В сканируется вместе с объектом А, который необходимо телепортировать, из них извлекается некоторая информация, а состояние А и В полностью искажается. Отсканированная информация посылается на получающее устройство, где она используется для выбора тех или иных режимов, которые затем применяются к объекту С, чтобы превратить С в точную копию прежнего состояния А.

Как переместить человека?

Обычно считается, что переместить человека — значит переместить все частицы, из которых он состоит. Однако в квантовой теории сами частицы не репрезентируют личность: все объекты состоят из одних и тех же элементарных частиц. Тот или иной объект описывается квантовым состоянием частиц, из которых он состоит. Следовательно, перемещение объекта есть реконструкция квантового состояния частиц и воссоздание этого состояния на удаленном расстоянии.

Квантовая телепортация переносит квантовое состояние системы и ее корреляций в другую систему. Более того, современному значению слова телепортация соответствует следующая процедура: объект дезинтегрируется в одном месте, а в другом месте возникает его совершенная копия. Объект или его полное описание в ходе телепортации никогда не находится между этими двумя местами.

Обратите внимание, что дезинтеграция квантового состояния является необходимым условием согласно теореме о запрете на клонирование (no-cloning theorem).

 

КАПСУЛА ВРЕМЕНИ

 

Если инопланетяне когда-либо прилетали на нашу Землю, они должны были оставить на ней какие-то материальные следы своего пребывания. Может быть даже, что пришельцы из космоса не только посещали нашу планету, но и оставили информацию о себе для грядущих поколений. Послания от пришельцев должны где-то храниться в расчете на то, что люди, достигнув когда-то определенного уровня развития, найдут эти послания и используют их себе во благо.

Внимание ученых давно уже привлекают огромные каменные сооружения, воздвигнутые в незапамятные времена. Это так называемые мегалитические постройки типа английского Стоунхенджа или Баальбекской террасы в Ливане. Это и египетские пирамиды.

Капсула времени, если она спрятана в Стоунхендже, должна быть в самом центре сооружения, под Алтарным камнем. Можно предположить, что расположенные здесь по кругу камни подсказывают нам, на какой глубине заложена капсула. К востоку, за пределами кругов, лежит так называемый Пяточный камень. Расстояние от него до центра кругов — 78 метров. Может быть, эта цифра подсказывает, что копать надо на 78-метровую глубину?

Перенесемся теперь в Египет, в Гизу, где Большой Сфинкс охраняет покой величественных каменных пирамид. Самые грандиозные из них — пирамиды фараонов IV династии — Хеопса, Хефрена и Микерина. Так вот, пирамиды Хеопса и Хефрена стоят на одной диагональной линии. А диагональ пирамиды Микерина слегка повернута и на пересечении с диагональю пирамид Хеопса и Хефрена дает точку, расстояние от которой до центра пирамиды Микерина тоже 78 метров! Возможно, что на этой глубине надо искать еще одну капсулу времени. Обычно выше отметки 78 метров располагаются грунтовые воды, а ниже — воды артезианские.

Большой Сфинкс, как установили ученые, создан значительно раньше самых древних пирамид. Японские исследователи обнаружили под левой лапой Сфинкса узкий подземный ход, который наклонно ведет к пирамиде Хефрена. Где он заканчивается, неизвестно.

Когда стали внимательно изучать голову Сфинкса, оказалось, что у нее имеется третий глаз, обращенный вверх, в космос. Выяснилось также, что пропорции лица Сфинкса и лицевой угол (между линией лба и линией, идущей от ушного отверстия) для человека не характерны. Высказывались предположения, что Сфинкс — это скульптурный портрет инопланетянина, по подсказке которого строились первые пирамиды.

На одном из склонов Анд в Южной Америке начертан огромный знак трезубца. Если лететь по указанному им направлению, то вскоре на вершине одной из гор обнаружится полоса, выложенная большими каменными плитами. Может быть, надо копать почву в ее конце на глубину, равную длине полосы, чтобы найти капсулу времени?

 

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ

 

Споры и гипотезы о существовании неизвестных нам планет-двойников, параллельных вселенных и даже галактик насчитывают уже многие десятилетия. Все они основываются на теории вероятности без привлечения представлений современной физики. В последние годы к ним добавилось еще представление о существовании сверхвселенной, основанное на проверенных теориях — квантовой механике и теории относительности.

Макс Тегмарк в работе «Параллельные вселенные» выдвигает гипотезу о строении предполагаемой сверхвселенной, теоретически включающей в себя четыре уровня. Однако уже в ближайшее десятилетие у ученых может появиться реальная возможность получить новые данные о свойствах космического пространства и, соответственно, подтвердить или опровергнуть данную гипотезу.

Одна из популярных космологических моделей предполагает, что у нас есть двойник в галактике. Расстояние до нее столь велико, что находится за пределами досягаемости астрономических наблюдений. Может существовать множество обитаемых планет, в том числе таких, где живут люди с такой же внешностью, такими же именами и воспоминаниями, прошедшие те же жизненные перипетии, что и мы.

Но нам никогда не будет дано увидеть наши иные жизни. Самое далекое расстояние, доступное нашему постижению, — это то, которое может пройти свет за 14 млрд лет, протекших с момента Большого Взрыва.

Расстояние между самыми далекими от нас видимыми объектами составляет область Вселенной, называемую объемом Хаббла, или объемом космического горизонта, или просто Вселенной.

Вселенные наших двойников представляют собой сферы таких же размеров с центрами на их планетах. Это самый простой пример параллельных вселенных, каждая из которых является лишь малой частью сверхвселенной.

Ученые рассматривают четыре типа параллельных вселенных. Главный вопрос не в том, существует ли сверхвселенная, а в том, сколько уровней она может иметь.