В октябре этого года любители фэнтези с нетерпением поглощают продолжение: финальную часть трилогии Филипа Пулмана «Книга пыли». В серии рассказывается о приключениях студентки Лиры Белль Силверторн, которая путешествует из Оксфорда на Дальний Восток. В её истории есть альтернативные миры, души, материализующиеся в виде говорящих животных, и лёгкий налёт стимпанка. Впервые мы познакомились с Лирой в трилогии «Тёмные начала», которую Пулман начал публиковать в 1995 году. Так что некоторые читатели ждали финальный том «Книги пыли» 30 лет.
Этим же осенью выходит ещё одно продолжение. Оно не вызовет десятки тысяч продаж и не получит аудиоверсию с Майклом Шином. Тем не менее, оно должно вызвать столько же размышлений, сколько и работы Пулмана: продолжение первых трёх лет деятельности Мэрилендского квантово-термодинамического хаба.
Мэрилендский квантово-термодинамический хаб дебютировал в 2022 году благодаря гранту Фонда Джона Темплтона. Шесть теоретиков, трое из которых базируются в Мэриленде, составили ядро хаба. Наша миссия включает три направления: исследования, создание сообщества и популяризация. В предшествующее десятилетие квантовая термодинамика стремительно развивалась, но в основном за пределами Северной Америки. Мы стремились стать ориентиром для исследователей квантово-термодинамических процессов и посетителей континента.
Кроме того, мы стремились определить термодинамику возникновения повседневной, классической физики из квантовой физики. Квантовая физика обратима (не отличает прошлое от будущего), деликатна (измерение квантовой системы может нарушить её), и в ней есть такие явления, как запутанность. В отличие от этого, в нашем повседневном опыте есть необратимость (у времени есть направление), объективность (если мы с вами читаем эту статью, мы должны согласиться с её содержанием) и отсутствие запутанности. Как квантовая физика порождает классическую физику в больших масштабах энергии и длины? Традиционно термодинамика описывала макроскопические, эмерджентные свойства. Таким образом, квантовая термодинамика должна помочь нам понять возникновение классической реальности из квантовой механики.
Наша команда подошла к этой возможности с трёх точек зрения. Одна из них сосредоточена на квантовом дарвинизме — это фреймворк для количественной оценки того, как взаимодействия распространяют информацию о наблюдаемой квантовой системе. Другая подчёркивает декогеренцию — загрязнение квантовой системы её окружением. Третья рассматривает несовместимые обменные величины, описанные в предыдущем блоге.
Каждая точка зрения привела нас к обнаружению напряжения или кажущегося противоречия, которое необходимо разрешить. Можно было бы пожаловаться, что нам не удалось разработать квантово-термодинамическую теорию возникновения классической реальности. Но физики обожают кажущиеся противоречия, как издатели любят помечать «бестселлер по версии The New York Times» на обложках своих книг. Поэтому мы стремимся разрешить эти противоречия в течение следующих трёх лет.
Физики обожают парадоксы и им подобные.
Я проиллюстрирую напряжение с помощью несовместимых обменных величин. Физики часто представляют себе небольшую систему, такую как квантовый компьютер, взаимодействующую с большой средой, такой как окружающий воздух и стол, на котором стоит квантовый компьютер. Система и среда могут обмениваться энергией, частицами, электрическим зарядом и т. д. Обычно небольшая система достигает теплового равновесия, то есть состояния, в основном не зависящего от её начальных условий. Например, обменявшись достаточным количеством энергии со своей средой, система в конечном итоге достигает температуры среды, в основном независимо от начальной температуры системы.
Десятилетиями физики неявно предполагали, что обменные величины совместимы: их можно измерить одновременно. Но нельзя измерить все свойства квантовой системы одновременно. Положение и импульс — самые известные примеры. Несовместимость лежит в основе квантовой физики, лежащей в основе соотношения неопределённости Гейзенберга, квантовой коррекции ошибок и многого другого. Поэтому мы с коллегами спрашиваем, как несовместимость обменных величин влияет на термодинамизацию, что помогает объяснить стрелу времени.
Наше сообщество обнаружило, что такая несовместимость может препятствовать некоторым аспектам термодинамизации — в некотором смысле отсрочить определённые аспекты восприятия времени некоторыми квантовыми системами. Но несовместимые обменные величины усиливают другие особенности термодинамизации. Как нам примирить помехи с улучшениями? Выигрывает ли один из двух эффектов? Я надеюсь отчитаться через три года. А пока я болею за команду помех.
Помимо разрешения кажущихся конфликтов, мы добавляем в наш арсенал четвёртую перспективу — гравитационную. В нашем повседневном опыте пространство-время кажется гладким; в отличие от спутника Лиры Уилла в «Тонком ноже», мы не находим окон в другие миры. Но квантовая физика в сочетании с общей теорией относительности предполагает, что при исследовании пространства-времени на чрезвычайно коротких масштабах длины вы обнаружите шипы и провалы. Как гладкое пространство-время возникает из его квантовой основы? Опять же, квантовая термодинамика должна помочь нам понять.
Чтобы решить эти задачи, мы расширяем состав участников хаба. В первоначальный состав входили шесть теоретиков. Ещё двое присоединятся к команде вместе с первыми двумя экспериментаторами хаба. А также к нам присоединится наш первый инструктор по творческому письму, который работает в Доме писателей Университета Мэриленда (UMD) — Джимéнес-Портер.
По мере роста хаба росло и сообщество квантово-термодинамических учёных континента. Мы стремимся продолжать расширять это сообщество и укреплять его связи с коллегами за рубежом. Как Лира узнала из предыдущего романа Пулмана, сотрудничество с валлийскими шахтёрами, чешскими книготорговцами и принцессами Смирны может способствовать достижению цели. Я не ожидаю, что Мэрилендский квантово-термодинамический хаб привлечёт принцесс Смирны, но мечтать об этом можно. Хаб уже сотрудничает с Фондом Джона Темплтона, Normal Computing, Центром прикладных технологий Fidelity, Национальной квантовой лабораторией, командой Capital of Quantum в Мэриленде и другими. Мы стремимся интегрировать квантовую термодинамику в научную инфраструктуру Северной Америки, чтобы эта область процветала здесь даже после окончания срока действия нашего гранта. Свяжитесь с нами, если вы хотите стать нашим партнёром.
Чтобы объединить наше сообщество, хаб будет проводить собрания — симпозиумы или конференции — каждый год. На одной из конференций будут представлены квантовая термодинамика и творческое письмо в стиле квантового стимпанка. Учёные и авторы выступят с докладами. Мы надеемся, что обе группы будут вдохновлять друг друга, как работа физика Дэвида Дойча над формулировкой квантовой теории многих миров вдохновила Пулмана.
На этой конференции пройдёт курс творческого письма в стиле квантового стимпанка, который состоится в UMD весной 2026 года. Я буду вести курс совместно с преподавателем творческого письма Эдвардом Дашлом. Студенты будут изучать квантовую термодинамику, читать опубликованные научно-фантастические рассказы, писать рассказы в стиле квантового стимпанка и критиковать работы друг друга. Пять кафедр включили курс в свой список: физика, искусство и гуманитарные науки, информатика, химия и машиностроение. Если вы студент UMD, вы можете записаться через несколько недель. Делайте это пораньше; места ограничены! Мы приветствуем аспирантов и студентов, последние из которых могут заработать общий образовательный кредит GSSP.
Пулман озаглавил свой последний роман «Поле роз». Последнее слово относится к объекту, изучаемому физиками. Поле, такое как электрическое или гравитационное поле, — это физическое воздействие, распространяющееся в пространстве. Следовательно, художественная литература отражает физику — и физика может взять пример с литературы. С таким же рвением, как Лира преследует таинственную частицу под названием Пыль, Мэрилендский квантово-термодинамический хаб стремится к термодинамическому пониманию возникновения классического мира из квантовой физики. И я думаю, что наша миссия звучит так же увлекательно, как и миссия Лиры. Так что следите за новостями хаба о физике, общественных мероприятиях и историях. Рассказ о Лире может закончиться в этом месяце, но рассказ о хабе — нет.
1 Только не спрашивайте меня, что означает GSSP.