Разговор с Хуан Малдасена
През последните шест месеца Хуан Малдасена, защитил професура на името на Карл П. Файнбърг в Института за авангардни изследвания в Принстън, Ню Джърси, получи три големи награди: медалът на Лоренц на Кралската холандска академия на изкуствата и науките; медалът „Айнщайн” за 2018 г. на обществото „Алберт Айнщайн” в Берн; наградата „Ричард Е. Прендж” и лекторско място по теория на кондензираната материя и свързаните с нея области.
Малдасена е отличен с тези важни награди заради новаторския му принос в разбирането на квантовата физика на черните дупки. През 1997 г. Малдасена прави предположение за дълбоката свързаност между калибровъчните теории, описващи света на физиката на частиците в микроскопичен мащаб, и квантовата гравитация, описваща физиката на гравитационните сили на вселената. Известна като съответствието anti-de Sitter/conformal field theory (AdS/CFT) или дуалността калибровка/ гравитация. Тя е сред най-активно изследваните теми на теоретичната физика с над 10 000 позовавания, което я прави една от най-цитираните научни статии през последните две десетилетия.
Не толкова отдавна, през 2013 г., Малдасена и Ленард Съскинд предположиха, че някои парадокси на черните дупки, свързани с „информационния парадокс” на Хокинг, могат да бъдат решени, ако изходящите частици и черната дупка са свързани с червейни дупки. Статията, често наричана „ER = EPR”, свързва два труда, написани от Айнщайн в Института през 1935 г. „ER” се отнася до статия, написана от Айнщайн и Нейтън Розен (член на Института за авангардни изследвания по онова време). В нея се защитава тезата, че черните дупки могат да бъдат по двойки, свързани с Айнщайн-Розен мостове или червейни дупки. С „EPR” се обозначава статия с трима автори – Айнщайн, Борис Подолски (също член на Института по това време) и Розен, която описва квантовото механично явление – квантовото заплитане. Според концепцията на Малдасена и Съскинд, заплитането и червейните дупки създават пространство-времето, което възниква заради свързаните битове квантова информация. Тук предлагаме интервюто на главния редактор на Бюлетина на Института за авангардни изследвания с Хуан Малдасена, което е публикувано в есенния брой на Бюлетина на Института за авангардни изследвания в Принстън, 2018 г.
– Първо, поздравления за последните награди. Очевидно е, че от известно време вашето изследване се радва на широко признание в научната сфера (сред многото отличия нека споменем изследователската стипендия „МакАртър” през 1999 г., наградата и медалът на името на Пол Дирак през 2007 г., наградата за фундаментална физика през 2012 г.), но има ли причина тъкмо днес работата ви да се радва на толкова много отличия?
– О, нямам представа. Във физиката на кондензираната материя и в няколко други области на физиката човек се интересува и иска да разбере поведението на частиците, които силно взаимодействат и са описани чрез квантовата механика. Квантовата теория е лесна за анализиране, когато частиците са почти свободни, но когато те силно си взаимодействат, става е трудно – може да има различни видове изненадващи поведения. Съответствието AdS/CFT или дуалността калибровка/ гравитация свързва някои силно взаимодействащи системи с Теорията за гравитацията. По този начин то превръща проблема, труден за решаване от гледна точка на квантовата механика, в проблем на гравитацията, който може да се реши относително по-лесно.
– Когато говорите за „Физика на кондензираната материя”, при какви среди и материали смятате, че тя може да е приложима?
– Един проблем, например, от който хората се интересуват, е високотемпературната свръхпроводимост. Но може да има и някои нови материали, които днес учените да се опитват да синтезират и с които да се получат силни взаимодействия. Също така и появата на квантовите компютри обещава различни възможности за изследване.
Теоретичните ни познания в сферата на кондензираната материя биха ни помогнали в изследванията на високотемпературната свръхпроводимост, така че да разберем по-добре явлението или да открием както негови нови проявления, така и явления, смятани до момента за невъзможни.
Пример за връзката между двете са изследванията на Дъглас Станфорд. Той открива връзка между квантовия хаос, физиката на черните дупки и хоризонтът на събитията на черните дупки.
– Когато говорим за черни дупки, ние не говорим за черните дупки, които изследват космолозите…
– Точно така. Това са черни дупки, които съществуват в други паралелни вселени, които са много по-малки. Интересното е, че тези много силно взаимодействащи системи могат да се държат така, сякаш създават своя собствена вселена. Това е, което наричам теория за вселената в бутилка.
– И като казвате малки, можете ли да дадете някакъв мащаб?
– Проблемът е, че е трудно да се определи мащаб. Определям ги като малки, защото съществуват в лаборатория, в същото време те са и малки, тъй като, според теорията на гравитацията, съществуват мащаби на разстоянията, където класическото описание на пространство-време се разпада поради квантовите механични ефекти. Нашата вселена е много голяма в сравнение с разстоянието, при което извършваме изследванията си и което е 10-33 см.
– Като казвате, че черните дупки са в лабораторията, имате предвид, че те наистина съществуват при условията, които сте създали в нея, или че те са чисто теоретична конструкция?
– Засега тяхното съществуване е чисто теоретично. Но в бъдеще, когато квантовите компютри станат малко по-добри от сегашните или учените намерят по-изобретателни начини да ги създадат, ще можем да се похвалим и с реални черни дупки.
– Черните дупки в теоретичната ви лаборатория имат ли нещо общо с истинските черни дупки? На теория те еднакви ли са?
– Те са еднакви, доколкото са определени от едни и същи уравнения, но не са едни и същи по отношение на други детайли. В черната дупка в природата има и други частици, като електрони и фотони, които образуват обикновената материя, съществуваща около астрофизичните черни дупки. Това е различно от вида материя, която би могла да съществува около теоретичните черни дупки. Общото помежду им е, че и двете са свързани с динамичното пространство-време. И в двата случая има известно пространство-време, което може да бъде изкривено. И в двата случая съществува идеята за хоризонт на събитията на черните дупки, и в двата случая има лъчение на Хокинг. Хокинговата радиация не е от особено значение за много големите астрофизични черни дупки, например, чиито температури са по-ниски от температурите наоколо. Но тя оказва сериозен ефект върху по-малките теоретични черни дупки.
– Защо изучавате черните дупки чисто теоретично? По какъв начин те са свързани с актуалните изследвания днес?
– Причината, поради която изучаваме квантовите аспекти на черните дупки, е да разберем квантовата механична природа на пространство-времето. Това не е важно за астрофизичните черни дупки, но е много важно за началото на Големия взрив. Изяснявайки си квантовите аспекти на черните дупки, може да успеем да разберем началото на вселената – това е надеждата ни, дългосрочната ни програма.
– Как се е променило мисленето за черните дупки и пространство-времето, откакто започнахте да работите в тази област?
– Черните дупки се смятаха за нещо, съществуващо някъде другаде във вселената, произведено от четирите измерения на гравитацията. Сега можем да ги свържем с физическа система, в която няма гравитация, като свръхпроводник или някаква друга система, изградена от субатомни частици. И ако тези системи си взаимодействат достатъчно силно, те могат да генерират свое собствено пространство-време и тогава могат да съществуват и черни дупки.
– Какво означава пространство-времето да възниква, а да не е фундаментално съществуващо?
– Ако възниква, можем да предположим, че не то поставя основите на всичко.
– Кога се е зародила идеята за възникващото пространство-време? Има ли някаква връзка със съответствието AdS/ CFT?
– По въпроса има различни мнения. Но бих казал – основно чрез изследванията в сферата на Теория на струните. Друг фактор, повлиял нейното развитие, е дуалността калибровка/ гравитация.
Моето мнение е, че пространство-времето изглежда възникващо, когато започнете да се занимавате с теорията за квантовите частици, но може да се окаже, че има алтернативно описание, при което пространство-времето също е фундаментално. При това положение двете описания са само два различни начина за описване на една и съща система. Това е идеята за дуалността. Това означава, че една и съща теория може да бъде изградена от различни строителни блокове. Друга аналогия за това е, че може да разкажете един роман, да речем, на английски или пък на френски, но това си остава един и същ роман.
– През 2013 г. в Бюлетина на Института вие публикувахте текст, посветен на „ER = EPR” и на квантовото заплитане. Оттогава насам какви открития сте направили?
– Онази статия беше посветена на заплитането и червейните дупки и мисля, че в нея основно актуализирахме труда на Пинг Гао, Даниел Луи Джаферис и Арон Стейн (член на Висшето училище по математика към Института за авангардни изследвания в периода 2014 – 2017), които бяха стигнали до заключението, че има възможност тези червейни дупки да се направят проходими. Основната идея е, че ако имате две системи, които са много далеч, те не взаимодействат, но ако са заплетени, имате червейна дупка. Когато червейната дупка не е проходима, това означава, че не можете да пътувате през нея. А ако се опитате да го направите, ще умрете. Изследователите откриха още, че ако поставите двете системи една до друга и ги оставите малко да си взаимодействат, тогава ще можете да минете през червейната дупка.
Наскоро писах статия с Алексей Милехин и Фьодор Попов, в която конструирахме решение на стандартния модел на частиците в нашата вселена. Отстрани изглежда като две черни дупки, свързани помежду си с проходима червейна дупка. Но е много микроскопично – просто търсим решение на уравнения.
– Искате да кажете, че не можем да говорим за мащабите, описани в научната фантастика…
– Разбирам какво имате предвид – не, ние не бихме могли да пътуваме през тези червейни дупки. Но бихме могли през тях да изпратим елементарни частици. Тези червейни дупки са много, много малки, по-малки от най-малките разстояния, които можем да видим днес.
– Можем ли да кажем, че квантовата информация оцелява в тази проходима дупка?
– Е, на теория квантовата информация ще оцелее, ако попадне в която и да е черна дупка, ще бъде преработена от нея и т.н. Този процес на преминаване през червейната дупка е тясно свързан с така нареченото „квантово телепортиране”, открито през 80-те години. Това е способността да се пренася квантова информация чрез заплитане. Квантовата телепортация беше измислена и предложена като начин да се осигури сигурна комуникация. Това е непробиваем код, защото информацията минава през червейна дупка, която не може да се види отвън.
– Какво знае гравитацията за квантовата механика?
– Черните дупки се подчиняват на законите на термодинамиката. Това произтича от уравненията на Айнщайн. Когато разглеждаме черните дупки, си даваме сметка, че уравненията на Айнщайн отговарят на законите на термодинамиката. Това е изключително странно, защото когато Айнщайн е писал уравненията си, той не е мислил нито за информация, нито за средни стойности, нито за случайности. Това са само класически уравнения.
– Смятате ли, че повече членове на Института, които се занимават с физика, се интересуват от квантови изчисления?
– Имаме изследователи, които прилагат някои елементи от квантовата информационна теория при изучаването на черните дупки. Но никой от тях не се занимава с чисти квантови изчисления. Аз съм част от изследователска организация, в която някои от колегите го правят, освен това и организираме семинарии за учени, занимаващи се с квантови изчисления. Това лято на симпозиума „Перспективи пред теоретичната физика” бяха разгледани връзките между квантовите изчисления и черните дупки. Един от лекторите беше Скот Арънсън[1] (член на Висшето училище по математика към Института за авангардни изследвания в периода 2004-2005), който ще участва и в семинара през декември. Миналата година организирахме подобен семинар за черните дупки и квантовата информация. Един от организаторите на тазгодишния семинар е Джонатан Опенхайм, който се занимава с квантовата информационна теория.
– Какво се има предвид, когато една черна дупка е наречена „квантов компютър”?
– Можете да разглеждате една обикновена система, дори природата, като вид машина. А когато имате обикновена машина, е полезно да разберете как се движи информацията през машината. Полезно е да се мисли как отделните части се отнасят една към друга и как движението на една се отнася към движението на друга.
Подробните динамични закони ви казват как това се случва, но разбирането на потока от информация е нещо основно, поставящо някакви граници, в които машината може да работи. Природата е квантово-механична, така че машината се подчинява на законите на квантовата механика. За да разберете как информацията се движи около тази машина, трябва да говорите за квантова информация. Това е информация, която е предмет на законите на квантовата механика, и вие се опитвате да разберете как тя пътува през машината. Целта е да се разбере как квантовата информация пътува през пространство-времето. Всъщност смятаме, че геометрията на самото пространство-време отразява свойства на тази квантова информация.
В крайна сметка, искаме да разберем черната дупка като система, която се подчинява на правилата на квантовата механика, и как тези правила са в съответствие с правилата на гравитацията. Те изглеждат много различни и има някои парадокси, които все още не са решени. Опитваме се да открием по какъв начин разбирането за черните дупки като квантов компютър е съвместимо с идеята за черните дупки, вдъхновена от Теорията на относителността на Айнщайн.
Разговора води Кели Девин Томас
Превод от английски Кристина Сантана
–-
[1] Скот Арънсън (1981) – изследовател в сферата на квантовия компютър и теорията на изчислителната сложност.
