Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности 52 страница

(обратно)

3. На самом деле, склонный к математике читатель должен отметить, что принцип неопределенности диктует, что флуктуации энергии обратно пропорциональны временному разрешению наших измерений, так что чем точнее разрешение времени, с которым мы исследуем энергию поля, тем более широко поле будет волноваться.

(обратно)

4. В этом эксперименте Ламоро измерил силу Казимира на модифицированной установке, содержащей притяжение между сферическими линзами и кварцевой пластиной. Более недавно Джианни Каруньо, Роберто Онофио и их сотрудники в университете Падовы предприняли более сложный эксперимент, включающий оригинальную схему Казимира из двух параллельных пластин. (Удержание пластин совершенно параллельно является в самом деле экспериментальной проблемой). До сегодняшнего дня они подтвердили предсказания Казимира на уровне 15 процентов.

(обратно)

5. Ретроспективно эти достижения также показывают, что если бы Эйнштейн не ввел космологическую константу в 1917, квантовые физики должны были бы ввести собственную версию ее несколькими десятилетиями позже. Как вы вспомните, космологическая константа была энергией, которая, как воображал Эйнштейн, заполняет все пространство, но что является ее причиной, он – и поборники космологической константы сегодняшних дней – оставил не определенным. Теперь мы осознаем, что квантовая физика заполняет пустое пространство скачущими полями, и, как мы непосредственно видим через открытие Казимира, результирующее микроскопическое безумие полей наполняет пространство энергией. Фактически, главная стоящая перед теоретической физикой, это показать, что совокупный вклад всех скачков полей дает полную энергию пустого пространства – полную космологическую константу, – которая находится внутри наблюдаемых пределов, в настоящее время определяемых по наблюдениям сверхновых, обсужденным в Главе 10. До сегодняшнего дня никто не смог сделать этого; провести анализ точно оказалось вне досягаемости современных теоретических методов, а приближенные вычисления получают ответы дико превосходящие то, что позволяют наблюдения, сильно указывая на то, что приближения недалеко ушли. Многие объявляют величину космологической константы (равна ли она нулю, как еще думают, или мала и отлична от нуля, как предполагается инфляцией и данными по сверхновым) как одну из самых важных открытых проблем в теоретической физике.

(обратно)

6. В этой секции я описываю один способ рассмотрения конфликта между ОТО и квантовой механикой. Но я должен заметить в связи с нашей темой поиска правильной природы пространства и времени, что и другие несколько менее осязаемые, но потенциально важные головоломки возникают из попыток соединения ОТО и квантовой механики. Одна из особенно мучительных возникает, когда прямое применение процедуры трансформации классической негравитационной теории (вроде электродинамики Максвелла) в квантовую теорию распространяется на классическую ОТО (как показано Брюсом ДеВиттом в том, что сейчас называется уравнением Уилера-ДеВитта). В центральном уравнении, которое при этом возникает, оказывается, что не появляется переменная времени. Так что вместо того, чтобы получить явное математическое воплощение времени, – как в случае любой другой фундаментальной теории, – в этом подходе квантования гравитации темпоральная эволюция должна отслеживаться физическим свойством вселенной (таким как ее плотность), которое, мы ожидаем, должно изменяться регулярным образом. На данный момент никто не знает, если эта процедура квантования гравитации подходит (хотя большой прогресс недавно был достигнут в ответвлении этого формализма, именуемом петлевой квантовой гравитацией, см. Главу 16), то не ясно, скрывается ли отсутствие явной переменной времени в неких глубинах (время как производная концепция?) или нет. В этой главе мы сосредоточимся на другом подходе к соединению ОТО и квантовой механики, теории суперструн.

(обратно)

7. Отчасти неправильно говорить о "центре" черной дыры как если бы он был местом в пространстве. Причина, грубо говоря, в том, что когда нечто пересекает горизонт событий черной дыры – ее внешний край, – роли пространства и времени меняются местами. Фактически, точно так же, как вы не можете сопротивляться переходу от одной секунды к другой во времени, так вы не можете сопротивляться затягиванию в "центр" черной дыры, раз уж вы пересекли горизонт событий. Оказывается, что эта аналогия между направленностью вперед во времени и направленностью к центру черной дыры строго обоснована математическим описанием черных дыр. Таким образом, вместо того, чтобы думать о центре черной дыры как о положении в пространстве, лучше думать о нем как о положении во времени. Более того, поскольку вы не можете уйти от центра черной дыры, вы могли бы попытаться подумать о нем как о положении в пространстве-времени, где время приходит к концу. Это, может быть, и правильно. Но поскольку стандартные уравнения ОТО отказывают при таких экстремально малых размерах и гигантских плотностях массы, наша способность делать определенные утверждения такого сорта компроментируется. Ясно, это подразумевает, что если бы мы имели уравнения, которые не разваливались бы в глубине черной дыры, мы смогли бы получить важные результаты по поводу природы времени. Это одна из целей теории суперструн.

(обратно)

8. Как и в предыдущих главах под "наблюдаемой вселенной" я подразумеваю часть вселенной, с которой мы могли бы, по меньшей мере, в принципе, иметь сообщение в течение времени с момента Большого взрыва. Во вселенной, которая бесконечна в пространственном протяжении, как обсуждалось в Главе 8, все пространство не сжимается в точку в момент Взрыва. Определенно, все в наблюдаемой части вселенной будет сжиматься во все меньшее пространство, когда мы направляемся назад к началу, но, хотя это тяжело нарисовать, имеются вещи – бесконечно далеко удаленные – которые всегда будут оставаться отделенными от нас, даже когда плотность материи и энергии возрастает все выше.

(обратно)

9. Леонард Сасскайнд в "Элегантной вселенной", NOVA, трехчасовые серии Государственной службы радиовещания (PBS), впервые вышло в эфир 28 октября и 4 ноября 2003 (запись можно посмотреть здесь: http://www.pbs.org/wgbh/nova/transcripts/3012_elegant.html).

(обратно)

10. На самом деле сложность проведения экспериментального тестирования для теории суперструн представляет собой ключевое препятствие, одно из тех, что существенно затрудняет подтверждение теории. Однако, как мы увидим в последних главах, в этом направлении был сделан немалый прогресс; струнные теоретики сильно надеются, что планируемые ускорители и эксперименты в открытом космосе обеспечат, по меньшей мере, подробные подтверждения в поддержку теории, а при удаче, может быть, даже больше.

(обратно)

11. Хотя я не касался этого явно в тексте, замечу, что каждая известная частица имеет античастицу – частицу с той же массой, но с противоположным силовым зарядом (вроде противоположного знака электрического заряда). Античастица электрона есть позитрон; античастица up-кварка есть, не удивительно, анти-up-кварк и так далее.

(обратно)

12. Как мы увидим в Главе 13, недавние работы по теории струн наводят на мысль, что струны могут быть намного больше планковской длины, и это дает множество критических последствий, – включая возможность сделать теорию экспериментально проверяемой.

(обратно)

13. Существование атомов сначала доказывалось косвенными путями (как объяснение особых пропорций, в которых различные химические вещества могут соединяться, а позже через броуновское движение); существование первых черных дыр было подтверждено (к удовлетворению многих физиков) через наблюдение их влияния на газ, который падает на них с расположенных рядом звезд, а не через "наблюдение" их непосредственно.

(обратно)

14. Поскольку даже тихо колеблющаяся струна имеет некоторое количество энергии, вы можете поинтересоваться, как это возможно для колебательной моды струны давать безмассовую частицу. Ответ, еще раз, дается квантовой неопределенностью. Не имеет значения, насколько спокойна струна, квантовая неопределенность означает, что она имеет минимальное количество дрожаний и скачков. И через чудеса квантовой механики эти индуцированные неопределенностью скачки имеют отрицательную энергию. Когда это объединяется с положительной энергией от самых мягких из обычных колебаний струны, полная масса/энергия равна нулю.

(обратно)

15. Для склонного к математике читателя наиболее точное утверждение в том, что квадраты масс колебательных мод струны задаются целыми количествами квадратов планковской массы. Еще более точно (и в соответствии с недавними разработками, затронутыми в Главе 13) квадраты этих масс являются целыми количествами струнных масштабов (которые пропорциональны обратному квадрату длины струны). В общепринятой формулировке теории струн струнный масштаб и планковская масса связаны, почему я и применил упрощение в главном тексте и ввел только планковскую массу. Однако, в Главе 13 мы рассмотрим ситуации, в которых струнный масштаб может отличаться от планковской массы.

(обратно)

16. Не слишком трудно понять в грубых терминах, как планковская длина вкралась в анализ Кляйна. ОТО и квантовая механика привлекают три фундаментальных константы природы: с (скорость света), G (базовая константа гравитационного взаимодействия) и h (постоянная Планка, описывающая размер квантовых эффектов). Эти три константы могут быть объединены, чтобы произвести величину с размерностью длины: (hG/c3)1/2, которая, по определению, является планковской длиной. После подстановки численных значений трех констант находим планковскую длину около 1,616 х 10–33 сантиметра. Таким образом, исключая случай безразмерного множителя с величиной, существенно отличающейся от того, что я должен получить из теории, – нечто, что не часто происходит в простой, хорошо сформулированной физической теории, – мы ожидаем, что планковская длина будет характеристикой размера длины, такой как длина свернутого пространственного измерения. Тем не менее, заметим, что это не исключает возможности, что размерности могут быть больше планковской длины, и в Главе 13 мы увидим интересную недавнюю работу, которая энергично исследовала эту возможность.

(обратно)

17. Присоединение частицы с электрическим зарядом и с относительно маленькой массой оказывается труднопредодолимой проблемой.

(обратно)

18. Заметим, что требование однородной симметрии, которое мы использовали в Главе 8, чтобы сузить количество форм вселенной, мотивируется астрономическими наблюдениями (такими как наблюдения микроволнового фонового излучения) внутри трех больших измерений. Эти симметрийные ограничения не влияют на форму возможных шести мельчайших дополнительных измерений.

(обратно)

19. Вы можете поинтересоваться, возможны ли не только дополнительные пространственные измерения, но также и дополнительные временные измерения. Исследователи (такие как Ицхак Барс из Университета Южной Калифорнии) исследовали эту возможность и показали, что, по меньшей мере, возможно сформулировать теорию со вторым временным измерением, которая кажется физически обоснованной. Но является ли это второе временное измерение реальным на пару с обычным временным измерением, или это только математический трюк, никогда полностью не устанавливалось; общее ощущение скорее в пользу второго, чем первого. По контрасту с этим, прямое прочтение теории струн говорит, что дополнительные пространственные измерения являются во всех отношениях столь же реальными, как и три, которые мы знаем.

(обратно)

20. Эксперты по струнной теории (и те, кто прочитал Элегантную вселенную, Глава 12) распознают, что более точное утверждение заключается в том, что определенные формулировки теории струн (обсужденные в Главе 13 этой книги) допускают пределы, содержащие одиннадцать пространственно-временных измерений. Все еще обсуждается, не лучше ли думать о теории струн как о теории, фундаментально действующей в одиннадцати пространственно-временных измерениях, или одиннадцатимерная формулировка должна рассматриваться как особый предел (например, когда константа струнного взаимодействия выбирается большой в формулировке типа IIА) наряду с другими пределами. Так как это различие почти не оказывает воздействия на наше обсуждение на общем уровне, я выбрал первую точку зрения, в значительной степени из-за лингвистической простоты случая, когда имеется фиксированное и неизменное число измерений.

(обратно)

Глава 13

1. Для склонного к математике читателя: я здесь ссылаюсь на конформную симметрию – симметрию относительно произвольных сохраняющих углы преобразований объема в пространстве-времени, заметаемого предлагаемыми фундаментальными составляющими. Струны заметают двумерные пространственно-временные поверхности, и уравнения теории струн инвариантны относительно двумерной конформной группы, которая является бесконечномерной группой симметрии. Напротив, при других числах пространственных измерений, связанных с объектами, которые сами не являются одномерными, конформная группа является конечномерной.

(обратно)

2. Многие физики внесли существенный вклад в эти разработки, как предложив основополагающие работы, так и через последующие исследования: Майкл Дафф, Пол Хове, Такео Инарм, Келли Стелле, Эрик Бергшоефф, Эргин Жегин, Пол Таунсенд, Крис Халл, Крис Поп, Джон Шварц, Ашоке Сен, Эндрю Строминджер, Кертис Каллан, Джо Полчински, Петр Хофава, Дж.Дай, Роберт Лейг, Николаи и Бернард деВит среди других.

(обратно)

3. Фактически, как объяснено в Главе 12 Элегантной вселенной, имеется даже более тесная связь между обозреваемыми десятью пространственными измерениями и р-бранами. Когда вы увеличиваете размер десятого пространственного измерения в, скажем, формализме типа IIА, одномерные струны растягиваются в двумерные мембраны, подобные внутренности трубы. Если вы предполагаете десятое измерение очень малым, как это всегда неявно делалось перед этими открытиями, внутрености трубы выглядят и ведут себя подобно струнам. Как и в случае струн, вопрос о том, являются ли эти вновь найденные браны неделимыми или, наоборот, они сделаны из еще более тонких составляющих, остается без ответа. Исследователи открыли возможность, что на ингредиентах, до настоящего времени идентифицированных в теории струн/М-теории, поиски элементарных составляющих вселенной не завершаются. Однако также возможно, что указанные ингредиенты этими элементарными составляющими и являются. Поскольку многое из последующего нечувствительно к этой проблеме, мы выбираем простейшую точку зрения и представляем, что все ингредиенты – струны и браны различных размерностей – являются фундаментальными. А как быть с более ранними аргументами, которые указывали на то, что фундаментальный многомерный объект не мог бы быть встроен в физически осмысленную схему? Ну, эти аргументы сами произросли в другой приблизительной квантовомеханической схеме – той, которая стандартна и полностью протестирована, но которая, как и всякая аппроксимация, имеет ограничения. Хотя исследователи еще вырисовывают все тонкости, связанные с присоединением многомерных объектов к квантовой теории, эти ингредиенты встраиваются так совершенно и согласованно внутрь всех пяти струнных формулировок, что почти каждый верит, что пугающие нарушения базовых и сакральных физических принципов отсутствуют.

(обратно)

4. Фактически, мы могли бы жить даже на более многомерной бране (4-бране, 5-бране,...), три измерения которой заполняют обычное пространство и другие измерения которой заполняют некоторые малые, дополнительные размерности, требуемые теорией.

(обратно)

5. Склонный к математике читатель должен заметить, что за долгие годы теория струн выяснила, что замкнутые струны имеют отношения к тому, что называют Т-дуальностью (как объясняется дальше в Главе 16, а также в Главе 10 Элегантной вселенной). По существу, Т-дуальность есть утверждение, что если дополнительное измерение имеет форму окружности, теория струн полностью нечувствительна к тому, имеет ли окружность радиус R или 1/R. Причина в том, что струны могут двигаться вокруг окружности ("импульсные моды") и/или наматываться вокруг окружности ("намотанные моды"), и физики осознали, что при замене R на 1/R роли этих двух мод просто меняются местами, оставляя общие физические свойства теории неизменными. Существенным в этой аргументации является то, что струны представляют собой замкнутые петли, поскольку если они открытые, не имеется топологически стабильного понятия их наматывания вокруг циклического измерения. Так что, на первый взгляд, кажется, что открытые и замкнутые струны ведут себя полностью различно при Т-дуальности. При более тесном изучении и при использовании граничных условий Дирихле для открытых струн ("D" в D-бранах) Полчински, Дай, Лейг, а также Хофава, Грин и другие исследователи разрешили эту загадку.

(обратно)

6. Предложения, которые пытались обойти введение темной материи или темной энергии допускали, что даже принятое поведение гравитации на больших масштабах может отличаться от того, что думали Ньютон и Эйнштейн, и, таким образом, пытались оценить гравитационные эффекты, не совместимые только с материалом, который мы можем видеть. Пока еще эти предложения в высшей степени умозрительны и имеют минимальную поддержку как у экспериментаторов, так и у теоретиков.

(обратно)

7. Эту идею ввели физики С. Гиддингс, С. Томас, С. Димопоулос и Г. Ландсберг.

(обратно)

8. Отметим, что фаза сжатия такой отскочившей вселенной не то же самое, что фаза расширения, бегущая в обратном направлении. Физические процессы, такие как разбрызгивание яиц и таяние свечей, будут происходить в обычном "прямом" направлении времени во время расширения и должны будут продолжатся так же во время последующей фазы сжатия. Поэтому энтропия должна будет возрастать во время обеих фаз.

(обратно)

9. Подготовленный читатель должен заметить, что циклическая модель может быть выражена на языке четырехмерной эффективной теории поля на одной из 3-бран, и в этой форме она разделяет многие свойства более привычных инфляционных моделей, движимых скалярным полем. Когда я говорю "радикально новый механизм", я ссылаюсь на концептуальное описание в терминах сталкивающихся бран, с которыми и само которое есть поразительно новый путь размышления о космологии.

(обратно)

10. Не запутайтесь в подсчете измерений. Две 3-браны вместе с пространственным интервалом между ними имеют четыре измерения. Время дает пятое. Что оставляет шесть остальных для пространства Калаби-Яу.

(обратно)

11. Важное исключение, отмеченное в конце этой главы и обсуждаемое дальше в деталях в Главе 14, имеет дело с неоднородностями в гравитационном поле, так называемыми изначальными гравитационными волнами. Инфляционная космология и циклическая модель отличаются в этом отношении, что дает один из путей, на котором есть шанс, что они могут быть экпериментально отличены.

(обратно)

12. Квантовая механика гарантирует, что всегда имеется ненулевая вероятность, что случайная флуктуация разрушит циклический процесс (например, одна брана повернется относительно другой), заставив модель застопориться. Даже если вероятность мизерна, рано или поздно событие непременно произойдет, а потому циклы не могут продолжаться бесконечно.

(обратно)

Глава 14

1. A. Einstein, "Vierteljahrschrift fur gerichtliche Medizin und offentliches Sanitatswesen" 44 37 (1912). D. Brill and J. Cohen, Phys. Rev. vol. 143, no. 4, 1011 (1966); H. Pfister and K. Braun, Class. Quantum Grav. 2, 909 (1985).

(обратно)

2. За четыре десятилетия от первоначального предложения Шиффа и Пью были предприняты другие тесты схемы увлечения. Эти эксперименты (проведенные среди других Бруно Бертотти, Игнацио Киуфолини и Петером Бендером, а также И.И.Шапиро, Р.Д. Ризенбергом, Дж.Ф.Чандлером и Р.В. Бэбкоком) изучали движение Луны, а также спутников, вращающихся вокруг Земли, и нашли строгое доказательство эффектов увлечения. Преимущество Гравитационного Зонда B (Gravity' Probe B) в том, что это первый полностью контролируемый эксперимент, один из тех, которые находятся под полным контролем экспериментаторов, что должно дать самое точное и самое прямое доказательство схемы увлечения.

(обратно)

3. Хотя приведенные рисунки эффективны в том, что дают почувствовать открытие Эйнштейна, другое ограничение стандартных представлений деформированного пространства в том, что они не иллюстрируют деформацию времени. Это важно потому, что ОТО показывает, что для обычного объекта вроде Солнца, в противоположность чему-нибудь экстремальному вроде черной дыры, деформация времени (чем ближе вы к Солнцу, тем медленнее будут идти ваши часы) намного более выражена, чем деформация пространства. Затруднительно изобразить деформацию времени графически, но труднее передать, как деформированное время дает вклад в искривление пространственных траекторий, таких как земная эллиптическая орбита вокруг Солнца, именно поэтому Рис. 3.10 (и другие рисунки среди любых попыток визуализировать ОТО, которых я только видел) сориентирован исключительно на деформированном пространстве. Но полезно иметь в виду, что в большом количестве известных астрофизических окружающих явлений деформация времени доминирует.

(обратно)

4. В 1974 Руссел Халс и Джозеф Тейлор открыли двойную систему пульсаров – два пульсара (быстро вращающейся нейтронной звезды), обращающихся друг вокруг друга. Поскольку пульсары двигаются очень быстро и очень близко друг к другу, ОТО Эйнштейна предсказывает, что они будут испускать большое количество гравитационного излучения. Хотя в самом деле проблематично детектировать это излучение непосредственно, ОТО показывает, что излучение должно проявлять себя косвенно через другие вещи: энергия, эмитированная через излучение, должна вызывать постепенное снижение периода обращения двух пульсаров по орбите. Пульсары наблюдаются непрерывно с момента их открытия и на самом деле их орбитальный период уменьшается – и способом, который согласуется с предсказаниями ОТО с точностью, примерно, на одну часть из тысячи. Таким образом, даже без прямого детектирования эмитированной гравитационной радиации это обеспечивает строгое доказательство ее существования. За это открытие Халсу и Тейлору присудили Нобелевскую премию по физике за 1993.

(обратно)

5. Однако см. комментарий 4 выше.

(обратно)

6. С точки зрения энергетики, следовательно, космические лучи обеспечивают естественно возникший ускоритель, который намного более мощный, чем любой из тех, что мы имеем или будем создавать в обозримом будущем. Препятствие в том, что, хотя частицы космических лучей могут иметь экстремально высокие энергии, мы не можем контролировать, что во что влепилось, – когда это происходит от столкновений космических лучей, мы являемся пассивными наблюдателями. Более того, число частиц космических лучей с данной энергией быстро падает, когда уровень энергии повышается. Хотя около 10 миллиардов частиц космических лучей с энергией, эквивалентной массе протона (примерно одна тысячная от планируемой мощности Большого Адронного Коллайдера), падает на каждый квадратный километр поверхности Земли каждую секунду (и несколько полностью проходят через ее тело также каждую секунду), только одна из самых энергичных частиц (около 100 миллиардов масс протона) упадет на данный квадратный километр земной поверхности каждое столетие. Наконец, ускоритель может сталкивать частицы вместе, двигая их быстро в противоположных направлениях, тем самым повышая энергию центра масс. В отличие от этого, частицы космических лучей сталкиваются с относительно медленно двигающимися частицами в атмосфере. Тем не менее, эти препятствия не непреодолимы. В течение многих десятилетий экспериментаторы действительно много узнали из изучения данных по более обильным низкоэнергетическим космическим лучам, и, чтобы работать с малочисленными высокоэнергетическими столкновениями, экспериментаторы построили гигантский массив детекторов, чтобы захватить так много частиц, как это возможно.

(обратно)

7. Подготовленный читатель обнаружит, что сохранение энергии в теории с динамическим пространством-временем это тонкая проблема. Определенно, тензор напряжений от всех источников для уравнений Эйнштейна ковариантно сохраняется. Но это не обязательно переносится на глобальный закон сохранения для энергии. И по хорошей причине. Тензор напряжений не учитывает гравитационной энергии – общеизвестно трудного понятия в ОТО. На достаточно коротких дистанциях и временных масштабах – таких, которые возникают в экспериментах на ускорителях, – локальное сохранение энергии применимо, но утверждения относительно глобального сохранения должны делаться с большей осторожностью.

(обратно)

8. Это верно для простейших инфляционных моделей. Исследователи нашли, что более усложненные реализации инфляции могут подавлять производство гравитационных волн.

(обратно)

9. Жизнеспособный кандидат на темную материю должен быть стабильной или очень долгоживущей частицей – которая не распадается на другие частицы. Ожидается, что это верно для легчайших из суперсимметричных партнеров частиц, а потому более точное утверждение, что легчайшие из зино, хиггсино или фотино являются подходящими кандидатами на темную материю.

(обратно)

10. Не так давно объединенная итальяно-китайская исследовательская группа, известная как Эксперимент по Темной Материи (Dark Matter Experiment – DAMA), отработавшая в Лаборатории Гран Сассо в Италии, сделала воодушевляющее сообщение, что они достигли первого прямого детектирования темной материи. До сегодняшнего дня, однако, ни одна другая группа не смогла проверить их утверждение. Фактически, другой эксперимент, Криогенный Поиск Темной Материи (Cryogenic Dark Matter Search – CDMS), базирующийся в Стэнфорде и объединяющий исследователей из США и России, накопил данные, которые, как многие уверены, отбросят результаты DAMA с высокой степенью достоверности. В дополнение к этим поискам темной материи идут и многие другие. Чтобы прочитать о некоторых из них, посмотрите здесь: http://hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/dark_matter/other_searches.html.

(обратно)

Глава 15

1. Это утверждение игнорирует подходы со скрытыми переменными, такие как подход Бома. Но даже в таких подходах мы хотим телепортировать квантовое состояние объекта (его волновую функцию), так что только измерение положения или скорости могло бы отличаться.

(обратно)

2. Исследовательская группа Зейлингера также включала Дика Баумистера, Джан-Ви Пана, Клауса Маттле, Манфреда Эйби и Харалда Вернфуртера, а группа Де Мартини включала С. Джиакомини, Г. Милани, Ф. Сциаррино и Е. Ломбарди.

(обратно)

3. Для читателя, который в некоторой степени привычен к формализму квантовой механики, здесь приводятся основные этапы в квантовой телепортации. Представьте, что начальное состояние фотона, который я имею в Нью-Йорке, задано |Ψ>1 = α|0> + β|1>, где |0> и |1> есть два состояния поляризации фотона, и мы допускаем определенные, нормализованные, но произвольные величины коэффициентов. Моя цель заключается в передаче Николасу достаточной информации, чтобы он мог произвести фотон в Лондоне в точно том же квантовом состоянии. Чтобы сделать это, Николас и я сначала обзаводимся парой запутанных фотонов в состоянии, скажем, |Ψ>23 = (l/√2)|0203> – (l/√2)|1213> Начальное состояние трехфотонной системы, таким образом, есть |Ψ>123 = (α/√2)[2] + (β/√2)[3]. Когда я провожу измерение состояния Белла над фотонами 1 и 2, я проектирую эту часть системы на одно из четырех состояний: |Φ>± = (1/√2)[4] и |Ω>± = (1/√2)[5]. Теперь, если мы перевыразим начальное состояние, используя этот базис собственных состояний для частиц 1 и 2, мы найдем: |Ψ>123 = ½[6]. Таким образом, после проведения моего измерения я "сколлапсирую" систему в одно из этих четырех слагаемых. Когда я передам Николасу (традиционным образом), какое слагаемое я нашел, он узнает, что надо сделать с фотоном 3, чтобы воспроизвести оригинальное состояние фотона 1. Например, если я нахожу, что мое измерение дает состояние |Φ>–, тогда Николас ничего не должен делать с фотоном 3, поскольку, как раньше, он уже находится в оригинальном состоянии фотона 1. Если я найду любой другой результат, Николас проделает подходящее вращение (определяемое, как вы можете видеть, тем, какой результат я найду), чтобы перевести фотон 3 в желаемое состояние.

(обратно)

4. Фактически, склонный к математике читатель заметит, что не трудно доказать так называемую теорему об отсутствии квантового клонирования. Представьте, что мы имеем унитарный оператор клонирования U, который берет любое данное состояние на входе и производит две его копии на выходе (U отображает |α> –> |α>|α> для любого исходного состояния |α>). Заметим, что U, действуя на состояние, подобное (|α> + |β>), дает (|α>|α> + |β>|β>), которое не есть двойная копия оригинального состояния (|α> + |β>)(|α> + |β>), а потому не существует такого оператора U, чтобы преуспеть в квантовом клонировании. (Это впервые было показано Вутерсом и Зуреком в начале 1980х).

Дата добавления: 2015-11-16