Космизм - идеология выживания и поступательного прогресса человечества

Физикам-теоретикам из Великобритании и Индии удалось узнать нечто новое о том, как ведет себя информация в квантовом мире

Профессор британского Йоркского университета (University of York) Сэмюель Бронштейн (Samuel Braunstein, специалист по квантовой телепортации - quantum teleportation) и его индийский коллега Арун Пати (Arun Pati) из Физического института (Institute of Physics, Sainik School), находящегося в городе Бхубанешвар, после долгих теоретических изысканий пришли к выводу, что квантовая информация (quantum information) принципиально не может быть "скрыта" теми методами, которыми удается "скрыть" информацию в нашем макромире... говоря словами самого Бронштейна, "квантовая информация может ускользать, но не может скрываться".

Данный результат способен придать новый импульс давним спорам, касающимся небезызвестного "информационного парадокса", возникшего в связи с рассмотрением особенностей "функционирования" едва ли не самых загадочных объектов нашей Вселенной - черных дыр, чье существование предсказано теорией относительности Эйнштейна.

Обычная (так сказать классическая) информация, как известно, может быть уничтожена двумя способами: перемещением в иное место (например, в процессе передачи сообщения по Интернету) или же в процессе "сокрытия" - то есть перевода ее в закодированное состояние. Типичным примером такого "сокрытия информации" путем кодирования является весьма популярный (в недавнем прошлом) среди шифровальщиков всего мира шифр Вернама (или одноразовый блокнот), который был изобретен в 1917 году Мейджором Джозефом Моборном (Major Joseph Mauborn) и Гильбертом Вернамом * (Gilbert Vernam) из компании AT&T (American Telephone & Telegraph).

Ключ для одноразового блокнота (one-time pad) представляет собой неповторяющуюся последовательность символов, распределяемую случайным образом, с которой в процессе шифрования "складывается" изначальный текст. Каждый символ ключа используется только один-единственный раз для одного-единственного сообщения, в противном случае вражеский криптоаналитик путем анализа перекрывающихся ключей в принципе может уже пытаться восстанавливать исходный текст. Если же все делать правильно, то случайная ключевая последовательность, сложенная с неслучайным открытым текстом, дает случайный криптотекст, который не поддается никакому анализу, то есть попросту не содержит исходной информации (это доказал в середине прошлого века американский математик Клод Шеннон (Claude Elwood Shannon)). В реальных системах, работающих на таком принципе, подготавливали пары одинаковых лент со случайными цифрами ключа. Одна оставалась у отправителя, другая по надежным каналам (с курьером) доставлялась будущему получателю. Восстанавливать переданное сообщение можно только обладая дубликатом ключа, однако данная система ввиду ее "неэкономичности" использовалась лишь для передачи сообщений наивысшей секретности (перехваченные сообщения шпионов, зашифрованные с использованием одноразовых блокнотов, не могут быть расшифрованы и по сей день - после уничтожения по регламенту соответствующих ключей).

В течение многих десятилетий физики полагали, что подобные механизмы реализуемы и в случае квантовой информации, однако Бронштейн и Пати смогли теперь вывести так называемую "теорему несокрытия" ('nohiding theorem'), которая возводит неодолимое препятствие на пути скрытия информации в микромире.

В статье, опубликованной в последнем выпуске Physical Review Letters (PRL) и названной "Quantum information cannot be completely hidden in correlations: implications for the black-hole information paradox" ("Квантовая информация не может быть полностью скрыта в корреляциях: последствия для информационного парадокса черной дыры") англичанин и индиец используют свою теорему для анализа поведения "эйнштейновой" черной дыры, к разработке теории поведения которой (в свете ОТО и квантовой механики) приложили свои силы очень многие физики, в том числе и знаменитый Стивен Хокинг (Stephen Hawking).

Так, в середине 1970-х гг. Хокинг показал, что любая черная дыра, не получающая "подпитки" извне, в конечном счете должна испариться, порождая потоки радиации (так называемого "излучения Хокинга", обуславливаемого непрерывным рождением пар виртуальных частиц вблизи "горизонта событий" - то есть границы, из-под которой ничто не в силах вырваться - ни свет, ни материальное тело). Примечательно то, что эта радиация не содержит никакой информации о поглощенной когда-то черной дырой материи (до Хокинга сходные идеи высказывали и некоторые советские физики, например, Яков Зельдович). Возникает естественный вопрос: если черная дыра может полностью испариться и при этом ничего нам не "рассказать" о своей добыче, то куда девается информация, связанная с "проглоченными" объектами (например, текст заброшенной в ЧД энциклопедии "Британника")? Этот вопрос (не решенный удовлетворительным образом до сих пор) и получил название "информационного парадокса черной дыры" (black hole information paradox). Изначально Хокинг предполагал, что черная дыра неизбежно "стирает" всю информацию о своих "преступлениях", будто их и не было (этакий "идеальный чистильщик"). Однако такая идея серьезно противоречила законам квантовой механики, и сравнительно недавно "первооткрыватель" "излучения черных дыр" решился перейти на противоположную точку зрения - теперь он считает, что черная дыра, конечно, искажает и перепутывает поглощенную информацию, однако при этом все же не стирает ее необратимо и в конечном счете "выплевывает" после своего окончательного испарения.

Рассмотрев аналогию между квантовой телепортацией и "одноразовым блокнотом", Бронштейн и Пати выяснили, что квантовое сокрытие информации эквивалентно его стиранию, тогда как классическое сокрытие информации имеет принципиально иную природу (в отличие от классических битов, произвольные квантовые состояния не могут быть полностью скрыты в корреляциях между парой подсистем в Гильбертовом пространстве). Исключив возможность того, что информация о параметрах поглощаемой материи каким-либо образом могла все же покинуть черную дыру, а также запретив какое-либо ее сокрытие в корреляциях между полуклассической радиацией Хогинга (т.е. для достаточно массивных ЧД) и внутренними состояниями черной дыры, теоретики продемонстрировали, что проблемы с информационным парадоксом оказываются теперь еще более серьезными, чем считалось ранее. По выражению доктора Пати, "полученные результаты говорят о том, что квантовая механика в целом может быть столь же несостоятельна, как и анализ Хокинга, при этом не приходится даже выбирать между двумя этими возможностями".

На вопрос о том, хранит или не хранит черная дыра поглощенную информацию, теоретики до сих пор дают самые причудливые ответы. Так, например, содержащаяся внутри коллапсара информация может не исчезать, а переноситься в какую-то другую вселенную, одну из множества "пузырьков" в общей "пене" пространства-времени, туннелем в который и является та или иная черная дыра (заканчивающаяся на другом своем конце "белой дырой"). Еще одна гипотеза состоит в том, что черные дыры никогда не испаряются полностью, а съеживаются до размеров микрочастиц и в таком виде сохраняют всю содержащуюся в них информацию до конца существования нашей Вселенной. Для подобных "информационных частиц" даже придумали подходящие названия - "информоны", "инфотоны", "библиотеконы". Одна из относительно свежих идей заключалась в том, что эти самые информоны могут обладать лишь очень малой частью начальной информации (основная ее доля "распылена" где-то в окружающем пространстве), но при этом несут с собой тот самый "ключ", без которого эта информация никак не может быть расшифрована (даже частично) и возвращена в мир. Если Бронштейн и Пати правы, то подобные гипотезы можно уже назвать несостоятельными...

В 2000 году вышеозначенный информационный парадокс под номером восемь был назван в числе десяти важнейших проблем физики, которые должны быть решены в течение следующего тысячелетия. Этот список включал проблемы вроде определения продолжительности жизни протона (собственно, прежде всего стоит вопрос о его стабильности или нестабильности), а также исчерпывающее объяснение происхождения Вселенной. Впрочем, полноценное решение информационного парадокса черных дыр возможно лишь после создания корректной теории квантовой гравитации, объединяющей релятивистскую теорию (общую теорию относительности или какой-то ее аналог) с квантовой механикой.

* - Воистину, "нет пророка в своем отечестве". Парадокс состоит в том, что плодами разработок Вернама активно пользовались в Советском Союзе и в Германии (особо не афишируя это, естественно), а вот в самих США этим изобретением почему-то мало интересовались. В 1960 году человек, автоматизировавший криптографию и изобретший нераскрываемый шифр, умер, всеми забытый, от болезни Паркинсона.

Физика: 9 важнейших нерешенных вопросов

Череда недавних громких астрономических открытий заставила ученых признать непреложный и весьма тревожащий их факт: та материя во Вселенной, про которую мы хоть что-то знаем на современном этапе, составляет не более 5 процентов нашего мира. А остальное приходится на неизвестные формы "темного вещества" и "темной энергии". Одновременно с этим переворотом в нашем понимании Вселенной резко повысилась роль физики элементарных частиц, от которой теперь требуют раскрытия основных законов природы, управляющих этим самым темным веществом, темной энергией и т.д.

Американское Министерство энергетики и Национальное научное общество США решили по этому поводу создать специальную целевую группу из 17 членов под председательством Персис Дрелл (Persis Drell), руководящей исследованиями в Центре Стэнфордского линейного ускорителя (Stanford Linear Accelerator Center - SLAC). Перед этой группой поставлена задача по выяснению тех реальных возможностей, которыми в настоящее время обладает физика элементарных частиц. Требуется понять, способна ли она ответить "на действительно захватывающие научные вопросы текущего столетия".

Свою деятельность комитет начал с того, что отобрал девять "критических тем", которым будут посвящены важнейшие текущие и будущие американские эксперименты, а также исследования в рамках международного сотрудничества с американским участием, подразумевающие использование ускорителей элементарных частиц, подземные лаборатории и космические аппараты.

I. Мечта Эйнштейна об объединении всех известных взаимодействий:

Темная энергия может быть изучена в лаборатории

Кристиан Бек и Майкл Маккей www.maths.qmul.ac.uk

Два физика - один из Великобритании, а другой из Канады - утверждают, что для измерения важнейших свойств таинственной "темной энергии", которая все последнее десятилетие буквально сводила с ума астрономов и космологов, достаточно поставить простой лабораторный эксперимент. Его можно провести с помощью хорошо известных устройств, основанных на явлении сверхпроводимости. Речь идет о так называемом джозефсоновском контакте (Josephson junctions). Именно эффект Джозефсона - то есть протекание сверхпроводящего тока через тонкую (порядка нанометра) изолирующую или несверхпроводящую прослойку между двумя сверхпроводниками, - теоретически предсказанный в 1962 году и уже в следующем году обнаруженный экспериментально, поможет ответить на самый интригующий вопрос о природе темной энергии во Вселенной - является ли она следствием квантовых вакуумных флюктуаций или чем-то иным.

К настоящему времени целый ряд вполне надежных и независимых друг от друга астрофизических наблюдений показывает, что наша Вселенная на 73% или даже больше состоит из темной энергии - то есть своего рода антигравитации, которая заставляет Вселенную расширяться со все ускоряющейся скоростью. Однако до сих пор доподлинно неизвестно, что собой представляет эта самая темная энергия. Энергия самого вакуума принадлежит к числу тех кандидатов, которые в первую очередь приходят на ум - ведь согласно одной из самых красивых гипотез, вся наша Вселенная и является одной такой гигантской вакуумной флюктуацией. Однако количество вакуумной энергии, вычисленное в соответствии с современными теориями, оказывается приблизительно в 120 раз меньшим того, что требуется для согласия с наблюдениями.

Квантовые флюктуации возникают потому, что вакуум на самом деле не является "абсолютной пустотой", как это было принято в классической физике. Ведь в рамках квантовой механики всегда существуют своего рода нулевые колебания вакуума, то есть процессы постоянного рождения и распада пар виртуальных частиц и соответствующих античастиц. Это прямое следствие фундаментального принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому у частиц и квантовых полей невозможно одновременно измерить точное значение координат и импульса (а в случае "классического" вакуума они были бы известны и равны нулю). Именно вследствие такой физической "особенности" вакуум и обладает столь богатой структурой, а "кипение" вакуума выражается в различных эффектах вроде известного эффекта Казимира. Проявление своеобразной "вакуумной энергии" можно изучить и в случае джозефсоновского контакта.

В 1982 году Роджер Кох (Roger Koch) и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли (University of California at Berkeley) и Лаборатории имени Лоуренца в Беркли (Lawrence Berkeley Laboratory) поставили эксперимент, в ходе которого они изучали частотный спектр колебаний тока в джозефсоновском контакте. Их установка была охлаждена до температур порядка милликельвинов, и таким образом тепловые колебания частиц были сведены к минимуму, оставляя место только квантовым "нулевым" колебаниям.

Теперь Кристиан Бек (Christian Beck) из лондонского Университета королевы Марии (Queen Mary University) и Майкл Маккей (Michael Mackey) из Университета МакГилл (McGill University) в Монреале заново проанализировали полученные тогда данные в свете новых астрофизических оценок плотности темной энергии во Вселенной. Они предполагают, что нулевые колебания квантовых полей, измеренные группой Коха, говорят о том, что плотность вакуумной энергии отлична от нуля, и вместе с тем это значение не может превысить значение плотности темной энергии во Вселенной. Используя эту предпосылку, можно предсказать, что в спектре колебаний на частоте приблизительно nu_c=1,69х10¹² герц должен быть провал.

Таким образом максимальные частоты, которые были достигнуты к настоящему времени в экспериментах, имеют тот же самый порядок величины, как и nu_c, и связаны с нижней границей плотности темной энергии во Вселенной. Бек и Маккей полагают, что будущие эксперименты с новым поколением "джозефсоновских контактов", оперирующие более высокими частотами, могут помочь выяснить, действительно ли существует предсказанный ими провал. Такие эксперименты способны установить связь темной энергии с энергией вакуума.

Нужно отметить, что за будущими экспериментами по дальнейшему изучению эффекта Джозефсона дело, скорее всего, не станет. Ведь сверхпроводящие элементы, магнитные квантовые эффекты и джозефсоновские переходы теперь оказались на самом переднем краю науки и техники - они теснейшим образом связаны с новейшими разработками в области квантовых компьютеров и нанотехнологий.

Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному

Измерение эффекта Казимира. Схема с сайта www.eetimes.com

Эффект Казимира назван по имени голландского ученого Генриха (или Хендрика) Казимира (Hendrick Casimir). Именно Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума Макса Планка и Вернера Гейзенберга (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Казимир рассуждал примерно так: если две параллельные пластины в вакууме свести на достаточно малое расстояние (порядка нескольких микрон), то в пространстве между этими пластинами будут подавляться частицы всех длин волн, отличных от резонансных (то есть с модами, кратными расстоянию между пластинами - это похоже на колебания струны конечных размеров). То есть подавляются флуктуации вакуума в этом промежутке, а спонтанно появляющиеся фотоны, которые возникают вне пластин, порождают силу, стремящуюся свести пластины вместе (своего рода "давление поля внешнего излучения") - выходит, эта сила возникает как бы прямо "из пустоты", само пустое пространство воздействует на погруженные в него тела.

С эффектом Казимира связано множество всяких спекуляций, но только в 1997 году Стив Ламоро (Steve Lamoreaux) из Университета Вашингтона в Сиэтле (а теперь Национальной лаборатории в Лос-Аламосе) сумел собрать экспериментальную установку, достаточно чувствительную для того, чтобы доподлинно измерить силу Казимира. Он сумел достичь точности результатов в пределах 5 процентов от теоретического предсказания Казимира (измерялось взаимодействие между сферической линзой диаметром 4 см и кварцевой пластиной 2,5 см в поперечнике), то есть подтвердил предсказание эффекта на 95 %.

Теперь Эфрам Фишбах (Ephraim Fischbach), профессор из американского Университета Пердью (Purdue University's School of Science) и его коллеги сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 % для слоев разнородных металлов - меди и золота (в диапазоне 0,2-2 мкм). Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.

"Эффект Казимира сравнительно слаб в случае обычных объектов, но когда вы начинаете строить микроскопические MEMS-устройства, он очень серьезно будет влиять на их работу", - говорит Фишбах. Всякий раз, когда два наноразмерных объекта сближаются, "фотонное давление" на внешних сторонах этой пары превышает давление в пространстве между ними. Таким образом, "когда зубчики крошечных MEMS-механизмов сцепятся, сила Казимира может привести к тому, что спроектированные без учета этого эффекта наномашины просто "склеются", не смогут работать. Точное измерение этих сил поможет MEMS-проектировщикам избегать таких ловушек".

Фишбах не считает силу Казимира каким-то неодолимым препятствием для грядущих технологий, которое заставит устройства при наномасштабах вести себя совершенно непредсказуемо. По его мнению, необходимо лишь аккуратно учитывать соответствующие коэффициенты и с еще большей точностью измерять собственно эффект Казимира - воздействие своего рода "квантовой пены" фотонов - частиц и античастиц, "просачивающихся" к нам из пустоты.

Кроме того, учет эффекта Казимира важен и для микробиологов, есть даже такое понятие, "мембрана Казимира" (casimir membrane). А с недавних пор возникло подозрение, что этот "микроскопический" эффект может играть важную роль в космологии, например, в том, что касается механизмов инфляции.

Еще одно интереснейшее приложение эффекта Казимира относится к многомерным моделям в теории Калуцы-Кляйна. Согласно таким моделям, истинная размерность нашего пространства-времени больше реально наблюдаемых четырех измерений - то есть их на самом деле 10, 11, а то и все 26. Реально при этом "работают" только четыре (соответственно, время и три пространственных измерения), а "лишние" просто свертываются или, как говорят, компактифицируются на очень малых расстояниях - порядка 10^-33 см, в связи с чем мы их при обычных условиях не замечаем. Вот за эту-то компактификацию и "назначен ответственным" эффект Казимира.

Максим Борисов

Юрий Манин
математик

Основная задача теоретической физики, завещанная двадцатым веком двадцать первому, по традиции формулируется как объединение теории гравитации с квантовой теорией поля. Математический язык теории квантовых струн и мембран сохраняет рудименты терминологии этого классического периода, но его физическая семантика радикально изменилась и, к сожалению, не поддается прямому сравнению с реальностью. С чем мы имеем дело сейчас, с гениальными догадками или с фундаментальными заблуждениями? Математическая красота и плодотворность этих идей поразительны, и харизматическое обаяние творческой личности Эда Виттена (Edward Witten), который инициировал многие из них, неотразимо. И, тем не менее, может оказаться, что как физика все это построено на песке...

Астрономы нашли свидетельство дополнительных измерений пространства

5 сентября 2005
http://www.membrana.ru/lenta/?5085

Распределение тёмной материи в одном из численных опытов по гипотетическому "развитию" Вселенной (иллюстрация с сайта access.ncsa.uiuc.edu).

Вселенная насчитывает шесть пространственных измерений. Такое предположение обосновали в своей новой работе Джозеф Силк (Joseph Silk) его коллеги из Оксфорда (University of Oxford).

Дополнительные три пространственных измерения учёные вывели из озадачивающего поведения так называемой тёмной материи — таинственного материала, который нельзя увидеть, но который проявляет себя гравитационным воздействием.

Силк и его коллеги рассмотрели, как тёмная материя ведёт себя в маленьких галактиках и в больших группах галактик.

В меньших объектах тёмная матрия, кажется, притягивает к себе прочее вещество весьма заметно. Но в больших группах галактик — такого не наблюдается. Там тёмная материя должна бы составлять ядра, куда большие, чем те, которые группа вычислила, исходя из анализа вращения объектов.

Возможное объяснение: три дополнительных пространственных измерения меняют гравитационные эффекты на очень коротких расстояниях — приблизительно нанометр.

Любопытно, что сходную в чём-то гипотезу, о дополнительных измерениях и их проявлении, но не на коротких, а на сверхбольших расстояниях, недавно уже высказывалась.

Силк же предполагает, что дополнительные измерения в пространстве оказывают влияние на взаимодействие тёмной материи и другого вещества. Причём, пишут авторы работы, поскольку в массивных галактических группах частицы тёмной материи разогнаны до более высоких скоростей, чем в карликовых галактиках, они (частицы) меньше времени находятся близко к другу, что, мол, снижает эффект от существования дополнительных измерений.

Кстати, самые популярные версии теории струн предполагают, что есть целых восемь дополнительных пространственных измерений.

Читайте также о восьмой цифре, которая может разрушить картину мира, и о чёрных дырах, до сих пор таинственных и с теорией струн также связанных.

Восьмая цифра рушит всю картину мира со скоростью света
1 июля 2004, membrana (staff@membrana.ru)

Физики Стив Ламоро (Steve Lamoreaux) и Джастин Торгерсон (Justin Torgerson) из американской национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Lab) опубликовали результаты исследования, являющегося весомым доводом в пользу предположения о непостоянстве скорости света.

О том, что эта скорость теоретически может быть непостоянной — физики размышляли давно. Однако до сих пор надёжных доказательств такой "крамолы" найдено не было.

Подчеркнём, речь идёт не о каких-то чудесных скачках скорости света прямо сейчас и даже не об опытах по так называемому торможению света при передаче сигнала в хитроумных установках, а об изменении самой что ни на есть мировой константы — скорости света в вакууме, причём — на протяжении всего развития Вселенной.

Выявить это физики пытаются с помощью вычислений величины альфы — так называемой постоянной тонкой структуры. Она равна примерно 0,00729735.

Альфа обратно пропорциональна скорости света, а также зависит от заряда электрона и постоянной Планка. Но две последние величины рассматриваются физиками как надёжные константы (хотя, строго говоря, это допущение).

Таким образом, колебания в космологических масштабах этой самой альфы должны указать на колебания скорости света.

Удивительно, что такие грандиозные перспективы открываются всего лишь после скучного и занудного (для посторонних) анализа соотношения изотопов в Oklo и уточнения только одной-двух цифр на каком-то там месте после запятой в скромном таком числе — с простым названием — альфа.

Темная материя отказалась подчиняться законам гравитации

"Теорема несокрытия" и информационный парадокс черных дыр

Физика: 9 важнейших нерешенных вопросов

Темная энергия может быть изучена в лаборатории

Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному

Максим Борисов