СОХРАНЕНИЯ МАССЫ-ЭНЕРГИИ-КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ КАК СЛЕДСТВИЕ ТЕОРЕМЫ О ЗАПРЕТЕ КЛОНИРОВАНИЯ И ТЕОРЕМЫ О ЗАПРЕТЕ УДАЛЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

Формулируется закон сохранения массы-энергии-квантовой информации. Взаимное превращение энергии и массы в информацию и обратно подчинятся количественному закону по теории Бриллюэна и Эйнштейна.

ABSTRACT

The law of conservation of mass-energy-quantum information is formulated. The mutual transformation of energy and mass into information and back will obey the quantitative law according to the theory of Brillouin and Einstein.

Ключевые слова: масса, энергия, информация, сохранение, декогерентность, рекогерентность, запутанность, клонирование.

Keywords: mass, energy, information, conservation, decoherence, recoherence, entangled.

Как показала в своих работах Э. Нетер законы сохранена связаны с однородности пространства времени. Тем не менее, формулировки законов сохранена уточняются в связи с развитием экспериментальных данных.

Закон сохранения массы веществ впервые был сформулирован в 1748 г М.В.Ломоносовым.: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции[21].

Закон сохранения энергии был сформулирован Ломоносовым с 1748г: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому им двинутому[21].

Альберт Эйнштейн вывел формулу E=mc² в своём исследовании в 1905 году при рассмотрении поведения объекта, движущегося с околосветовой скоростью. [6]. Отсюда он сделал вывод о том, что масса тела является мерой его энергии покоя:

Закон сохранения массы и энергии говорит об эквивалентности массы и энергии

Действительно при столкновении частицы и античастицы образуется электромагнитный квант(аннигиляция). При торможении электромагнитного кванта в сильном гравитационном поле происходит рождение частицы и античастиц.

При аннигиляции масса переходит в энергию (дефект масс), ни их сумма остается постоянной

Указанные законы являются основой современной техники, энергетики, атомной промышленности.

Наряду с массой и энергией в науке широко используется при исследовании природы понятие информации.

Меру информации предложил Шеннон

,

где: w_n - вероятность состояния;

N – число состояний.

Развитие науки привело к открытию запутанности элементарных частиц.

Мерой запутанности является энтропия Неймана

,

где  – матрица плотности.

Энтропия фон Неймана и квантовая запутанность может быть отлична от нуля только для подсистем, которые взаимодействуют со своим окружением, и поэтому находятся в несепарабельном (неразделимом) состоянии.

Запутанность объектов происходит при декогеренции микрочастиц. Именно практическая работа над созданием квантовых компьютеров многое дала для понимания соотношений между различными состояниями и привела к реализации таких переходов. Например, можно переводить кубиты (квантовые биты) из классического локального состояния в нелокальную суперпозицию (преобразование Адамара):

Можно назвать этот процесс рекогеренцией. Обратное преобразование (справа налево) — это декогеренция.

Запутанные состояния необходимо охарактеризовать по величине (степени) запутанности.

Величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия[Доронин;17]. Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов.

Существует и обратный процесс — запутанность можно «концентрировать», увеличивать. Этот процесс называется рекогеренцией, или дистилляцией запутанности.

Необходимо отметить, что теория запутанных состояний — это не теория микрочастиц, как иногда ошибочно считают. Ее основные результаты формулируются в терминах систем и подсистем, то есть общие выводы справедливы и в отношении произвольных макросистем. Микрочастицы являются лишь наиболее удобными объектами для изучения и манипулирования квантовой запутанностью в физических исследованиях. Она у них проявляется особенно сильно, и ее уже невозможно игнорировать, как в случае с макрообъектами. Например, электроны в атоме находятся в запутанном состоянии. Причем мера квантовой запутанности между частицами может контролироваться и целенаправленно изменяться в очень широких пределах — практически от нуля и вплоть до максимально запутанного, полностью нелокального состояния.

Кроме декогеренции и можно говорить об обратном процессе — рекогеренции [5]. Если первый из них отвечает за «проявления» материальных тел из нелокального состояния, то второй, наоборот, связан с «растворением» материи и преобразованием ее в чистую квантовую информацию. Оба этих процесса физики изучают в экспериментальных исследованиях уже довольно давно, манипулируя с небольшими «кусочками» вещества на микроуровне.

С макроскопическими телами ситуация более сложная, поскольку они имеют очень много различных степеней свободы, и все их трудно контролировать в эксперименте. Однако с декогеренцией как раз все просто, поскольку происходит она сама собой в результате взаимодействия тел, и все окружающие нас макроскопические объекты можно рассматривать как результат этого процесса.

С рекогеренцией дело обстоит сложнее — возникает вопрос: можно ли осуществить ее в случае макроскопических тел? Это означало бы, что мы умеем реализовать такой процесс, в результате которого наш объект постепенно «разуплотняется» и вскоре совсем исчезает из материального мира, целиком переходя в квантовый домен реальности.

Теоретических запретов для этого нет, но вот как реализовать его на практике? Чтобы подойти к ответу на этот вопрос, снова вернемся к модели, которая рассматривается в этой главе. Согласно предложенной теоретической модели, различные составляющие энергетической структуры объекта мы поставили в соответствие тому, что принято называть различными энергиями взаимодействий. Однако использовали этот термин только для того, чтобы как-то «привязаться» к существующему представлению.

Принимая за основу наиболее фундаментальный квантовый подход к описанию реальности, необходимо отказаться от предположения, что эта энергия возникает вследствие взаимодействия частиц и якобы не может без них существовать. Наоборот, сами частицы необходимо рассматривать лишь как «уплотнения» в исходно однородной энергетической структуре, появляющиеся в процессе наблюдения, то есть при декогеренции запутанного состояния объекта с наблюдателем.

 Напомним, что в соответствии с теорией запутанного состояния и теорией декогеренции степень взаимного «проявления» объектов определяется количеством информации, «записываемой» в каждом из них в результате взаимодействия. Иными словами, степень их «овеществления» обусловлена количеством и качеством упорядоченных локальных энергетических неоднородностей, являющихся носителями данной информации, то есть зависит от появившихся «уплотнений». При этом, если существует несколько качественно различных «наблюдателей» (например, человек и камень), находящихся в собственном пространстве событий, каждый из них по-своему «видит» один и тот же объект. Для каждого из них он состоит из своих «уплотнений».

То, что большинство из нас видит окружающую реальность примерно одинаково, объясняется лишь сходством локальных систем отсчета наблюдателей (пространств событий), поскольку мы обладаем практически одинаковыми органами восприятия. можно рассуждать и несколько иначе. Наблюдатель способен извлечь из объекта только ту информацию, которую он в состоянии различать, которая может быть зафиксирована в его собственном теле. И эта часть объекта становится для него классическим, предметным телом, но те неоднородности, которые он не сумел различить в данном теле, продолжают оставаться для него квантовыми объектами, находящимися в запутанном состоянии.

Например, для человека атомы и молекулы как бы не существуют вовсе (они находятся в запутанном состоянии), поскольку его предметные органы восприятия не способны дифференцировать потоки энергии, исходящие от отдельных частиц. Это могут сделать лишь приборы— для них атомы и молекулы уже не квантовые, а классические объекты.

Таким образом, с точки зрения теории запутанных состояний и теории декогеренции, атомы и молекулы не являются неизменными атрибутами системы для различных пространств событий. Они появляются лишь как один из возможных результатов наблюдения в одном из этих пространств. Например, для электронного микроскопа, точнее, для его электронов, которые «исследуют» образец, атомы и молекулы — вполне реальные объекты, извлеченные из запутанного состояния в процессе наблюдения, то есть классического взаимодействия с образцом.

Атомно-молекулярную структуру объекта уже нельзя считать его фундаментальной основой в окружающем мире. В процессе рекогеренции эта плотная структура может «растворяться», и объект будет переходить в нелокальное состояние, становясь «невидимым» для других плотных тел. Материя, согласно квантовому подходу, не является «вечной и неуничтожимой» субстанцией, она составляет лишь незначительную часть совокупной квантовой реальности, и имеют место процессы перехода между материальным и информационным состоянием отдельных элементов реальности. В соответствии с предложенной моделью предполагается, что основную роль в этих процессах играют градиенты энергии.

Для этого необходимо просто увеличивать градиент (скорость потока) энергии в объеме тела. Постепенно окружению объекта станет все труднее «отслеживать» происходящие в нем изменения. Окружение будет не в состоянии создавать «уплотнения» в этом теле, то есть его предметную структуру, в процессе наблюдения (декогеренции). В самом объекте также не будет успевать фиксироваться информация, получаемая от окружения в результате взаимодействия с ним. Объект для окружения в прямом смысле станет размываться в данном пространстве-времени, подобно фотографическому изображению быстро движущегося объекта.

При этом сам объект может и не набрать большой скорости в данном пространстве под действием градиента энергии, если изменение последнего происходит достаточно быстро. При некотором критическом значении скорости потока энергии объект исчезнет из данного пространства- времени, так как никакая информация о нем не сможет записаться в окружении.

Исчезновение объекта из пространства-времени означает переход массы–энергии в потенциальную форму в виде квантовой информации.

Ясно, что для макроскопических тел требуются громадные значения потоков энергии, сравнимыми со взрывом нейтронных звезд. Поэтому экспериментально растворение тел возможно только для микрочастиц.

Наблюдать подобное явление возможно при падении микрочастиц на «черную дыру». Или наоборот, рождение микрочастиц в результате квантовой телепортации микрочастиц из «черных дыр». В частности, вспышки в атмосфере Земли, наблюдаемые космонавтами и сравнимые со взрывами атомных бомб, могут быть следствием столкновения античастиц, телепортируемых из «черных дыр» с ядрами атомов земной атмосферы.

Наличие античастиц в космических лучах также можно объяснить квантовой телепортацией из «черных дыр».

С другой стороны, энергия в некотором смысле эквивалентна массе(покоя). Эта связь выражается формулой Эйнштейна

 ,

где:

m – масса;

c – скорость света в вакууме.

Наличие массы приводит по ОТО (общей теории относительности) к изменению метрики пространства – времени (появлению кротовых нор) и, следовательно , к запутанности микрочастиц.

Наличие массы приводит по ОТО (общей теории относительности) к изменению метрики пространства – времени и также к возможностью распространения волн вероятности со сверхсветовой скоростью и возможности телепортации микрочастиц.

Таким образом, объединение ОТО с квантовой теорией с помощью теории информации приводит к созданию квантовой теории информации, объясняющей строение многомировой вселенной, возможностью исследования мировых пространств без реактивных приборов, созданию квантовых компьютеров.

Количественно указанные явления можно выразить формулой Бриллюэна

Бриллюэн доказал [1], что 1 нит информации содержит при температуре T энергию

,

что одновременно на основании теории относительности Эйнштейна соответствует массе

.

Для одного бита при Т=300⁰К масса составит m=3,193*10^-38кг/бит.

Таким образом для энергии можно дать эквивалентную массу , для информации .

Наоборот, в массе 1кг при T=300⁰K содержится информации

J=3,132*10³⁷ бит/кг.

В связи эквиваентностью массы энергии и информации закон сохранения может быть записан в виде

,

где:

E – полная энергия;

T – температура ⁰К;

k_B – постоянная Больцмана;

I - количество участвующих систем.

Так как энергия по квантовой теории

,

то один бит информации эквивалентен каналу связи с частотой

6, 254*10¹² герц.

Триединство (эквивалентность) массы, энергии, информации отражает внутреннюю сущность материи и обосновано в работах [14, с.15], [15, с.52],

[13, с.6], доложено на научных конференциях [12], [16], изложено в иностранных изданиях [2,8,9], [10].

Введение меры позволяет оценить три стороны существования материи. Соответственно, имеет место закон сохранения массы, закон сохранения энергии, закон сохранения квантовой информации [17].

В более общем релятивистском случае справедлив закон сохранения массы-энергии-информации.

Соответственно в общем релятивистском случае возможно преобразование массы, энергии в информацию и обратно.

Единственным объектом, который можно назвать в полной мере замкнутой системой, является весь Универсум, Вселенная в целом. Она считается замкнутой системой (и, следовательно, чистым состоянием) по определению — нет ничего, что было бы вне ее.

Все другие объекты уже не будут абсолютно замкнутыми, и речь в лучшем случае может идти о квазизамкнутых системах (псевдочистых состояниях) с различной степенью приближения к чистому состоянию. Такие открытые системы находятся в так называемом смешанном состоянии.

Первый концептуальный вывод, который следует практически сразу, — у Универсума нет внешнего окружения, следовательно, никто не может осуществить его редукцию. Декогеренция — это процесс перехода чистого состояния в смешанное. Процесс, который имеет место только для подсистем, для составных частей замкнутой системы. Универсум, как единая система, в любом случае будет оставаться в чистом состоянии, независимо от того, что происходит у него «внутри», на уровне подсистем. И чистое состояние может оставаться нелокальным независимо от того, какое «шевеление» происходит внутри Универсума. Во всей своей целостности он попрежнему будет нелокальным, нетварным и по-прежнему будет оставаться вне времени и пространства.

Согласно космологической концепции теории декогеренции, весь классический мир со всеми объектами и взаимодействиями между ними возник из нелокального источника реальности. Весь массо-энергетический классический мир, согласно квантовой теории, не является основой реальности. Совокупная квантовая реальность гораздо богаче и шире. Классический мир — это лишь «картинка», видимость, внешнее проявление одной из сторон квантовой реальности.

 Нелокальный источник реальности, из которого «проецируется» наш плотный мир — это довольно глубокое понятие. Может ввести в заблуждение сам термин «нелокальный». Речь идет о квантовой нелокальности, которая не имеет отношения к волнам, полям, к классическим энергиям любого вида и типа. Квантовая нелокальность вообще не может быть описана классической физикой. Нелокальный квантовый источник реальности — это мир, в котором вообще нет никакой массы и потоков энергии. Это пустота, которая, тем не менее, содержит в себе всю полноту классических (тварных) энергий в нелокальной суперпозиции. Все тварные энергии (в том числе на тонких уровнях и в потенциальном виде) как бы компенсируют друг друга и в своей совокупности образуют Всеобъемлющую Пустоту. Пустоту лишь в том смысле, что этот мир невидим в своей целостности. На уровне Универсума остается только одна возможность — оперировать квантовой информацией, кроме которой там ничего больше и нет.

Все остальные объекты Природы не замкнуты и состоят из информации, энергии, массы и, следовательно, материальны.

Наиболее ранней работой по физике квантовой информации была работа Котельникова [109]. В дальнейшем появился ряд работ Габора [4], Левитина [20], Митюгова [22], Бриллюэна [1], Глушкова [7], Шипова [23], в которых обосновывалось информационное движение материи в различных сферах: микромире (фундаментальные частицы, элементарные частицы, атомы и молекулы), макромире (твердые, жидкие, газообразные тела, планеты и звезды), мегамире (нейтронные звезды, «черные дыры», галактики и квазары). Таким образом, была установлена всеобщность информации, энергии и массы.

Триединство(эквивалентность) массы, энергии, информации отражает внутреннюю сущность материи. Введение меры позволяет количественно оценить три стороны существования материи.

Работы Эйнштейна позволили установить взаимосвязь массы и энергии, работы Котельникова установили связь между минимальной единицей измерения и импульсом в электромагнитном канале связи, а работы Бриллюэна позволили установить количественную связь энергии и информации. Классическая физика и информатика отражает действительность приближенно, и на классических компьютерах невозможно моделирование объектов, описываемых квантовой физикой: взаимодействие атомов и молекул, строение ЭЧ, строение «черных дыр» и др. Как показано в работе Феймана [3] правильное моделирование их возможно лишь на квантовых компьютерах.

Выводы

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ МАССЫ, ЭНЕРГИИ, КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ ПОКАЗЫВАЕТ ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ МАССЫ ЭНЕРГИИ ИНФОРМАЦИИ И ГРОМАДНОЕ КОЛИЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ В МАТЕРИИ.

Энтропия фон Неймана и квантовая запутанность может быть отлична от нуля только для подсистем, которые взаимодействуют со своим окружением, и поэтому находятся в несепарабельном (неразделимом) состоянии

Закон сохранения квантовой информации гласит, что информация не может быть создана или уничтожена в квантовом мире.

Эта концепция вытекает из двух фундаментальных теорем квантовой механики: теоремы о запрете клонирования и теоремы о запрете удаления.

Теорема о невозможности сокрытия квантовой информации информации[24] утверждает, что если информация теряется в системе в результате декогеренции, то она переходит в подпространство окружающей среды и не может оставаться в корреляции между системой и окружающей средой. Это фундаментальное следствие линейности и унитарности квантовой механики. Таким образом, информация никогда не теряется. Теорема о невозможности сокрытия устойчива к несовершенству физического процесса, который, казалось бы, уничтожает исходную информацию.

Это было доказано Сэмюэлем Л. Браунштейном и Аруном К. Пати в 2007 году. В 2011 году теорема о невозможности сокрытия была экспериментально проверена[25] с помощью устройств ядерного магнитного резонанса, в которых один кубит подвергается полной рандомизации, то есть чистое состояние преобразуется в случайное смешанное состояние. Впоследствии потерянная информация была восстановлена из дополнительных кубитов с помощью подходящего локального унитарного преобразования только в гильбертовом пространстве окружающей среды в соответствии с теоремой о невозможности сокрытия информации. Этот эксперимент впервые продемонстрировал сохранение квантовой информации [26].

Запутанность объектов происходит при декогеренции микрочастиц. Именно практическая работа над созданием квантовых компьютеров многое дала для понимания соотношений между различными состояниями и привела к реализации таких переходов. Например, можно переводить кубиты (квантовые биты) из классического локального состояния в нелокальную суперпозицию (преобразование Адамара):

Использование закона сохранения массы-энергии – информации позволяет создавать квантовые компьютеры, квантовые линии связи, квантовые криптографические системы, которые принципиально невозможно взломать [7].

Опытным подтверждением эквивалентности массы энергии информации является возникновение Вселенной из информационной сферы размером 3мм при Большом взрыве, превращение черной дыры в информационную точку, собственное время и собственное пространство фотона, равное нулю.

Список литературы:

1. Brillouin L. Scince and information theory. - New York: Academic Press, Publischers, 1956. - p. 932.
2. Dmitriev V.F. Development of the mathematical apparatus of physics information// German International Journal of Modern Science . - 2020 . - No2 . - S.10-14.[1. В.Ф. [Дмитриев. Развитие математического аппарата физики информации.]
3. Feynman K. Quantum mechanikal computer // Found. Phys., 1986. - #16. - p.307-531.
4. Gabor D. Communication theory and physik. - Phil. Mag., 1950. - v. 41. - p. 1161-1187.
5. Zurek W. H. Decoherence, einselection and the quantum origins of the classical, Rev. Mod. Phys. 75, 715 (2003).
6. Берестецкий В. Б., Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Релятивистская квантовая механика. - М. : Наука, 1968. - 480с.
7. Глушков В. М. Мышление и кибернетика // Вопросы философии: Из-во АН СССР. – 1963 . - №4.
8. Дмитриев В. Ф. Информационное рождение Вселенной. [“The informational birth of the World”]// Deutsche Internationale Zetscrift für zetgenossische Wissenschaft. Satteldorf. - 2021 . - No10. - Vol.1 - S.16-21.
9. Дмитриев В. Ф. Уравнения физики квантовой реальности. [“Quantum reality physics equations”]// Deutsche Internationale Zetscrift für zetgenossische Wissenschaft. Satteldorf - 2021.- No8.- S.15-21
10. Дмитриев В. Ф. Физика информационных характеристик микрочастиц, используемых в технике. [Physics of information characteristics of microparticles, used in engineering]// Deutsche Internationale Zetscrift für zetgenossische Wissenschaft. Satteldorf. - 2021 . - No12.- S.74-80/
11. Дмитриев В. Ф. Физические системы. - Тула, ГНПП «Сплав», 2000. - 64с.
12. Дмитриев В.Ф. Изменение парадигмы физики // Материалы региональной научно-практической конференции . - Тула: ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2005. - С.25-27.
13. Дмитриев В.Ф. Информационное строение материи. - Тула: ГНПП”СПЛАВ”, 2011. - 66с.
14. Дмитриев В.Ф. Космические системы. - Тула: ГНПП”СПЛАВ”, 2001. - 66с.
15. Дмитриев В.Ф. Мировая система. - Тула: ГНПП”СПЛАВ”, 2007. - 66с. .
16. Дмитриев В.Ф. Развитие физики квантовой информации // Материалы международной научно-практической конференции «Л. Эйлер и российское образование, наука и культура». - Тула: ТГПУ им. Л.Н. Толстого. - 2-5.05.2007. - С. - 114-122.
17. Доронин С.И. Квантовая магия, 2006. – https://www.litmir.me/br/?b=149212&p=1
18. Котельников В.А. О пропускной способности "эфира" и проволоки в электросвязи // Материалы к Первому Всесоюзному Съезду по вопросам реконструкции связи. - М., 1933.
19. Котельников В.А. О пропускной способности "эфира" и проволоки в электросвязи // УФН. – Из-во РАН, 2006. - №1. - С.762 - 770.
20. Левитин Л.Б. О квантовой мере количества информации // Доклады 1V Всесоюзной конференции по теории передачи информации, секции 2,4.-Ташкент, ИППИ АН СССР, 1962. - С.111-115
21. Ломоносов М. В., Пол. собр. СОЧ. Т. 6. Труды по русской истории, общественно- экономическим вопросам и географии. 1747 - 1765.М. - Л.: АН СССР, 1952: С. 22; 403.
22. Митюгов А. В. Физические основы теории информации. - М. : Cоветское радио, 1976. - 216с. .
23. Шипов Г.И. Теория физического вакуума. - М. : НТ-Центр, 1999. - 362с.
24. Samuel L. Braunstein, Arun K. Pati Quantum information cannot be completely hidden in correlations: implications for the black-hole information paradox https://arxiv.org/abs/gr-qc/0603046
25. Jharana Rani Samal, Arun Kumar Pati, Anil Kumar Experimental Test of Quantum No-Hiding Theorem https://arxiv.org/abs/1004.5073
26. Зига, Лиза (2011-03-07). «Квантовая теорема о невозможности сокрытия информации впервые подтверждена экспериментально». Phys.org. Получено 18 августа 2019 г..[ Lisa Zyga https://muckrack.com/lisa-zyga/articles]