- 27,576
- 46
- 8 Ноя 2022
Сцена из "Интерстеллара" оказалась не просто красивой метафорой…
Физики снова вернулись к идее, которая обычно звучит как сюжет для фантастики: можно ли отправить сообщение из будущего в прошлое. Новая работа не доказывает существование машины времени, но разбирает более узкий и строгий вопрос: сколько информации в принципе способны перенести замкнутые времениподобные кривые, если такие структуры пространства-времени существуют.
Замкнутыми времениподобными кривыми в общей теории относительности называют пути в пространстве-времени, по которым объект движется вперед по собственному времени, но в итоге попадает в собственное прошлое. Человек или частица не обязаны разворачиваться назад по часам. Траектория сама замыкается из-за сильного искривления пространства-времени.
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна допускает такие траектории в очень экстремальных условиях. Один из возможных вариантов связан с вращающейся черной дырой . Пространство-время рядом с ней закручивается настолько сильно, что обычное разделение на раньше и позже начинает ломаться. В математическом описании появляется путь, по которому движение вперед может привести в область прошлого.
Особенно необычно выглядит внутренняя геометрия вращающейся черной дыры. В простейших популярных описаниях сингулярность черной дыры называют точкой бесконечной плотности. Для вращающейся черной дыры картина меняется: сингулярность принимает форму одномерного кольца, а замкнутые времениподобные кривые могут огибать эту область. Пока неизвестно, существуют ли подобные пути в реальной Вселенной, но черные дыры распространены, и большинство из них вращается.
Новое исследование провели специалисты по квантовой информации Кайюань Цзи из Корнеллского университета, Марк Уайльд и Сет Ллойд из Массачусетского технологического института. Работа опубликована в Physical Review Letters. Ученых интересовала не романтическая версия путешествий во времени, а задача из теории передачи информации: как пользоваться каналом связи, который соединяет будущее с прошлым.
Поводом для размышлений стал фильм Интерстеллар. В нем герой Мэттью Макконахи подлетает к черной дыре и передает сообщение дочери в прошлое. Цзи заметил, что сюжетная схема совпадает с математической задачей, над которой его группа работала раньше. В обоих случаях есть отправитель в будущем, получатель в прошлом и канал, где нарушается привычный порядок причин и следствий.
Связь через замкнутую времениподобную кривую работает не как обычная передача сообщения вперед во времени. При стандартной связи отправитель не знает, что получатель уже пережил. В петле времени будущий отправитель помнит прошлое, куда собирается передать данные. Возникает причинная петля: прошлое влияет на решение будущего отправителя, а будущее сообщение возвращается назад и влияет на прошлое.
Именно память отправителя меняет задачу. В обычном шумном канале часть информации теряется из-за помех, и отправитель заранее не знает, какие именно искажения встретит сигнал. В канале с петлей времени будущий отправитель уже знает, что происходило в прошлом, потому что прошлое для него уже наступило. Значит, можно подобрать стратегию передачи с учетом старых ошибок.
Исследователи рассматривали канал с шумом. Под шумом в теории информации понимают любые помехи, из-за которых сообщение приходит поврежденным, неполным или менее надежным. Если сообщение отправляют в черную дыру в будущем, а затем оно появляется у получателя в прошлом, часть данных может потеряться. Но получатель из прошлого уже может повлиять на будущий выбор отправителя внутри замкнутой петли.
Пример выглядит просто. Получатель в прошлом узнает, что в определенный день канал работал плохо, и будущий отправитель учитывает этот факт при выборе способа связи. Отправитель может послать несколько копий сообщения, перенести передачу на другой момент или использовать более устойчивую схему кодирования. В обычной связи назад по времени такой обратной связи быть не может, а замкнутая кривая превращает знание о прошлом в ресурс.
Из-за этого вероятность успешной передачи можно повысить. Ученые рассчитали, как память о прошлом помогает бороться с шумом и как меняет пределы для передачи информации. Важна не фантастическая деталь про черную дыру, а структура канала: отправитель и получатель оказываются связанными не прямой линией причинности, а петлей.
Работа может быть полезна для квантовых вычислений и квантовой связи. Исследователи не утверждают, что лаборатория уже умеет создавать настоящие замкнутые времениподобные кривые. Но математические модели таких кривых помогают изучать необычные режимы, где порядок событий нельзя считать заранее заданным. В этих режимах вычисления и передача квантовой информации могут выходить за ограничения привычных схем.
Квантовый физик Джулио Кирибелла из Гонконгского университета, не участвовавший в работе, связывает такие модели с неопределенным порядком событий. В обычном эксперименте одно действие происходит раньше другого. В некоторых квантовых схемах строгий порядок можно размыть: операции больше не выстраиваются в одну простую цепочку. Подобные идеи уже рассматривают как способ усилить квантовые вычисления и обмен данными.
Отдельная часть проблемы связана с парадоксами путешествий во времени. Самый известный вариант называют парадоксом дедушки: человек возвращается в прошлое, убивает своего предка и тем самым делает собственное рождение невозможным. Замкнутые времениподобные кривые давно вызывают именно такой вопрос: позволяют ли они менять прошлое так, чтобы разрушить причинность .
Ллойд изучал эту тему раньше. В 2011 году он с коллегами смоделировал замкнутую времениподобную кривую в лабораторном эксперименте и фактически отправил фотон, частицу света, назад во времени меньше чем на секунду. Исследователи проверяли, сможет ли фотон уничтожить собственную прошлую версию. Такой сценарий был квантовым аналогом парадокса дедушки.
Результат поддержал принцип самосогласованности. Квантовая физика разрешала только те варианты, где прошлое и будущее не вступают в логическое противоречие. Прошлое можно посетить в рамках модели, но нельзя изменить так, чтобы уничтожить условия собственного появления. Иными словами, замкнутые времениподобные кривые допускают странную связь между временами, но не дают свободно переписать историю.
Новая работа продолжает эту линию, но переносит внимание с парадоксов на информацию. Если замкнутые времениподобные кривые существуют рядом с вращающимися черными дырами , их можно рассматривать как необычные каналы связи. Модель показывает, что причинная петля не только путает привычный порядок событий, но и меняет правила передачи данных: знание будущего отправителя о прошлом помогает частично обходить шум.
Пока речь не идет о практическом способе отправить сообщение вчерашнему адресату. Физики не знают, существуют ли доступные замкнутые времениподобные кривые в реальном космосе и можно ли пользоваться ими без разрушительных условий рядом с черной дырой. Но расчеты дают строгий язык для вопроса, который раньше чаще оставался в зоне фантастики: если пространство-время допускает путь в прошлое, информация подчиняется не обычной линии причинности, а замкнутой петле.
Физики снова вернулись к идее, которая обычно звучит как сюжет для фантастики: можно ли отправить сообщение из будущего в прошлое. Новая работа не доказывает существование машины времени, но разбирает более узкий и строгий вопрос: сколько информации в принципе способны перенести замкнутые времениподобные кривые, если такие структуры пространства-времени существуют.
Замкнутыми времениподобными кривыми в общей теории относительности называют пути в пространстве-времени, по которым объект движется вперед по собственному времени, но в итоге попадает в собственное прошлое. Человек или частица не обязаны разворачиваться назад по часам. Траектория сама замыкается из-за сильного искривления пространства-времени.
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна допускает такие траектории в очень экстремальных условиях. Один из возможных вариантов связан с вращающейся черной дырой . Пространство-время рядом с ней закручивается настолько сильно, что обычное разделение на раньше и позже начинает ломаться. В математическом описании появляется путь, по которому движение вперед может привести в область прошлого.
Особенно необычно выглядит внутренняя геометрия вращающейся черной дыры. В простейших популярных описаниях сингулярность черной дыры называют точкой бесконечной плотности. Для вращающейся черной дыры картина меняется: сингулярность принимает форму одномерного кольца, а замкнутые времениподобные кривые могут огибать эту область. Пока неизвестно, существуют ли подобные пути в реальной Вселенной, но черные дыры распространены, и большинство из них вращается.
Новое исследование провели специалисты по квантовой информации Кайюань Цзи из Корнеллского университета, Марк Уайльд и Сет Ллойд из Массачусетского технологического института. Работа опубликована в Physical Review Letters. Ученых интересовала не романтическая версия путешествий во времени, а задача из теории передачи информации: как пользоваться каналом связи, который соединяет будущее с прошлым.
Поводом для размышлений стал фильм Интерстеллар. В нем герой Мэттью Макконахи подлетает к черной дыре и передает сообщение дочери в прошлое. Цзи заметил, что сюжетная схема совпадает с математической задачей, над которой его группа работала раньше. В обоих случаях есть отправитель в будущем, получатель в прошлом и канал, где нарушается привычный порядок причин и следствий.
Связь через замкнутую времениподобную кривую работает не как обычная передача сообщения вперед во времени. При стандартной связи отправитель не знает, что получатель уже пережил. В петле времени будущий отправитель помнит прошлое, куда собирается передать данные. Возникает причинная петля: прошлое влияет на решение будущего отправителя, а будущее сообщение возвращается назад и влияет на прошлое.
Именно память отправителя меняет задачу. В обычном шумном канале часть информации теряется из-за помех, и отправитель заранее не знает, какие именно искажения встретит сигнал. В канале с петлей времени будущий отправитель уже знает, что происходило в прошлом, потому что прошлое для него уже наступило. Значит, можно подобрать стратегию передачи с учетом старых ошибок.
Исследователи рассматривали канал с шумом. Под шумом в теории информации понимают любые помехи, из-за которых сообщение приходит поврежденным, неполным или менее надежным. Если сообщение отправляют в черную дыру в будущем, а затем оно появляется у получателя в прошлом, часть данных может потеряться. Но получатель из прошлого уже может повлиять на будущий выбор отправителя внутри замкнутой петли.
Пример выглядит просто. Получатель в прошлом узнает, что в определенный день канал работал плохо, и будущий отправитель учитывает этот факт при выборе способа связи. Отправитель может послать несколько копий сообщения, перенести передачу на другой момент или использовать более устойчивую схему кодирования. В обычной связи назад по времени такой обратной связи быть не может, а замкнутая кривая превращает знание о прошлом в ресурс.
Из-за этого вероятность успешной передачи можно повысить. Ученые рассчитали, как память о прошлом помогает бороться с шумом и как меняет пределы для передачи информации. Важна не фантастическая деталь про черную дыру, а структура канала: отправитель и получатель оказываются связанными не прямой линией причинности, а петлей.
Работа может быть полезна для квантовых вычислений и квантовой связи. Исследователи не утверждают, что лаборатория уже умеет создавать настоящие замкнутые времениподобные кривые. Но математические модели таких кривых помогают изучать необычные режимы, где порядок событий нельзя считать заранее заданным. В этих режимах вычисления и передача квантовой информации могут выходить за ограничения привычных схем.
Квантовый физик Джулио Кирибелла из Гонконгского университета, не участвовавший в работе, связывает такие модели с неопределенным порядком событий. В обычном эксперименте одно действие происходит раньше другого. В некоторых квантовых схемах строгий порядок можно размыть: операции больше не выстраиваются в одну простую цепочку. Подобные идеи уже рассматривают как способ усилить квантовые вычисления и обмен данными.
Отдельная часть проблемы связана с парадоксами путешествий во времени. Самый известный вариант называют парадоксом дедушки: человек возвращается в прошлое, убивает своего предка и тем самым делает собственное рождение невозможным. Замкнутые времениподобные кривые давно вызывают именно такой вопрос: позволяют ли они менять прошлое так, чтобы разрушить причинность .
Ллойд изучал эту тему раньше. В 2011 году он с коллегами смоделировал замкнутую времениподобную кривую в лабораторном эксперименте и фактически отправил фотон, частицу света, назад во времени меньше чем на секунду. Исследователи проверяли, сможет ли фотон уничтожить собственную прошлую версию. Такой сценарий был квантовым аналогом парадокса дедушки.
Результат поддержал принцип самосогласованности. Квантовая физика разрешала только те варианты, где прошлое и будущее не вступают в логическое противоречие. Прошлое можно посетить в рамках модели, но нельзя изменить так, чтобы уничтожить условия собственного появления. Иными словами, замкнутые времениподобные кривые допускают странную связь между временами, но не дают свободно переписать историю.
Новая работа продолжает эту линию, но переносит внимание с парадоксов на информацию. Если замкнутые времениподобные кривые существуют рядом с вращающимися черными дырами , их можно рассматривать как необычные каналы связи. Модель показывает, что причинная петля не только путает привычный порядок событий, но и меняет правила передачи данных: знание будущего отправителя о прошлом помогает частично обходить шум.
Пока речь не идет о практическом способе отправить сообщение вчерашнему адресату. Физики не знают, существуют ли доступные замкнутые времениподобные кривые в реальном космосе и можно ли пользоваться ими без разрушительных условий рядом с черной дырой. Но расчеты дают строгий язык для вопроса, который раньше чаще оставался в зоне фантастики: если пространство-время допускает путь в прошлое, информация подчиняется не обычной линии причинности, а замкнутой петле.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
