Наука и Техника

Наука И Техника
3 декабря 2015

Физики считают, что мы живем в гигантской голограмме

Некоторые физики на самом деле считают, что вселенная, в которой мы живем, может быть гигантской голограммой. Такое научное исповедание становится все более популярным. И самое интересное, что эта идея не совсем напоминает моделирование вроде «Матрицы», а скорее приводит к тому, что хотя нам кажется, что мы живем в трехмерной вселенной, у нее может быть всего два измерения. Это называется голографическим принципом.

Идея сводится к следующему: некоторая удаленная двумерная поверхность содержит все данные, необходимые для полного описания нашего мира — и, как и в голограмме, эти данные проецируются в три измерения. Подобно персонажам на телеэкране, мы живем на плоской поверхности, которая только кажется нам глубокой.

Звучит абсурдно. Но если физики придут к выводу, что их расчеты верны, все крупные проблемы физики — вроде природы черных дыр и примирения гравитации и квантовой механики — будет куда проще решить. Короче говоря, законы физики имеют больше смысла, когда написаны в двух измерениях, а не в трех.

«Среди большинства физиков-теоретиков эта идея не считается безумной, — говорит Леонард Сасскинд, физик Стэнфорда, который первым формально сформировал эту идею десятки лет назад. — Она стала рабочим повседневным инструментом для решения проблем физики».

Однако стоит отметить важный момент. Нет никаких прямых доказательств того, что наша вселенная на самом деле представляет собой двумерную голограмму. Эти расчеты не одно и то же, что математическое доказательство. Скорее, они являются интригующим предположением, что наша вселенная может быть голограммой. И пока не все физики уверены, что у нас есть хороший способ проверить идею экспериментально.

Откуда взялась идея, что Вселенная может быть голограммой?

Изначально эта идея появилась из пары парадоксов, связанных с черными дырами.

1. Парадокс потери информации в черной дыре

В 1974 году Стивен Хокинг открыл, что черные дыры, вопреки устоявшимся убеждениям, излучают небольшое количество радиации со временем. В конечном счете, когда вся энергия вытечет за горизонт событий — внешнюю границу черной дыры, — черная дыра должна полностью исчезнуть.

Тем не менее эта идея привела к появлению проблемы потери информации в черной дыре. Долгое время считалось, что физически информацию уничтожить нельзя: все частицы принимают оригинальную форму, либо в случае изменения влияют на другие частицы, поэтому по изменениям можно восстановить изначальное состояние частиц.

В рамках аналогии представьте стопку документов, которую скармливают шредеру. Даже если документы будут разорваны на мельчайшие частицы, информация в них все еще будет существовать. Она будет разбита на мелкие части, но не исчезнет, и за определенное время документ можно будет собрать заново. Поэтому вы сможете узнать, что в нем было записано. По сути, то же самое можно применить к частицам.

Но есть проблема: если черная дыра исчезает, информация о каждом засосанном в нее объекте тоже кажется исчезнувшей.

Одно из решений, предложенное Сасскиндом и голландским физиком Герардом т’Хоофтом в середине 90-х, заключалось в том, что когда объект затягивается в черную дыру, он оставляет позади своего рода двумерный отпечаток, закодированный в горизонте событий. Позже, когда излучение выходит из черной дыры, оно подхватывает отпечатки этих данных. Таким образом, информация не разрушается на самом деле.

Расчеты показали, что на двумерной поверхности черной дыры можно хранить достаточно информации, чтобы полностью описать все возможные трехмерные объекты внутри.

«Аналогия, о которой мы оба подумали независимо, это что-то вроде голограммы — двумерного куска пленки, на которой можно закодировать информацию о трехмерном регионе пространства», — говорит Сасскинд.

2. Проблема энтропии

Также была связанная с этим проблема расчета количества энтропии в черной дыре — то есть количества беспорядка и случайности среди ее частиц. В 70-х годах Яаков Бекенштейн подсчитал, что ее энтропия ограничена и ее планка пропорциональна двумерной области горизонта событий черной дыры.

«Для систем ординарной материи энтропия пропорциональна объему, а не площади», — говорит Хуан Малдасена, аргентинский физик, участвовавший в исследовании голографического принципа. В конечном счете он и другие пришли к выводу, что то, что выглядит как трехмерный объект — черная дыра, — может быть лучше понято в двух измерениях.

Как эта идея перешла от черных дыр к целой Вселенной?
Ничто из этого не доказывает, что черные дыры — голограммы. Но почти сразу, говорит Сасскинд, физики признали, что рассмотрение Вселенной как двумерного объекта, который только кажется трехмерным, может помочь решить массу глубочайших проблем теоретической физики. Математика теории работает одинаково хорошо вне зависимости от того, говорите вы о черной дыре, планете или целой Вселенной.

В 1998 году Малдасена продемонстрировал, что гипотетическая вселенная может быть голограммой. Его частной гипотетической вселенной было так называемой анти-де-ситтеровское пространство (простыми словами, изогнутая на больших расстояниях форма, в отличие от нашей плоской вселенной).

Более того, при взгляде на эту вселенную в двух измерениях, он нашел способ привлечь невероятно популярную идею теории струн — широкого теоретического поля, в котором базовыми строительными блоками нашей Вселенной выступают одномерные струны, а не частицы.

И что еще более важно, в процессе этого, он объединил две невероятно важных и отдельных концепции физики в одни теоретические рамки. «Голографический принцип соединил теорию гравитации с теориями физики элементарных частиц», — говорит Малдасена.

Сочетание двух этих фундаментальных идей в одну последовательную теорию (часто называемую квантовой гравитацией) остается одним из святых Граалей физики. Конечно, и это тоже не говорит нам о том, что наша вселенная — а не гипотетическая — является голограммой.

Может ли наша вселенная в принципе быть голограммой — или эта идея применима только к гипотетической? Это остается предметом ожесточенных дебатов.

В последнее время было проведено много теоретической работы, которые навели на мысли, что голографический принцип может работать для нашей Вселенной — включая работы высокого профиля австрийского и индийского физиков, которые вышли в мае.

Как и Малдасена, они также стремились применить принцип и найти сходство между разнородными областями квантовой физики и теории гравитации. В нашей Вселенной, две эти теории не сходятся: они предсказывают разные результаты в отношении поведения любой отдельной частицы.

Но в новой работе физики рассчитали, как эти теории могут предсказать степень запутанности — странного квантового явления, при котором состояния двух крошечных частиц могут коррелировать так, что изменение одной частицы повлияет на другую даже на огромном расстоянии. Ученые выяснили, что рассматривая одну конкретную модель плоской вселенной как голограммы, они могут получить совпадающие результаты из обеих теорий.

Тем не менее, хотя это немного ближе к той вселенной, над которой работал Малдасена, ученые работали только с одним частным типом плоского пространства, а их расчеты не принимали во внимание время — только три пространственных измерения. Более того, даже если бы это можно было применить напрямую к нашей Вселенной, это показало бы только то, что она может быть голограммой.

Как доказать, что наша Вселенная — голограмма?
Лучший тип доказательства должен начинаться с какого-нибудь проверяемого предсказания, выводимого в рамках голографической теории. Физики-экспериментаторы могли бы собрать доказательства, чтобы увидеть, соответствуют ли результаты предсказаниям. К примеру, теория Большого Взрыва предсказала, что мы могли бы найти остатки энергии, исходящей от всей Вселенной в результате жестокого расширения 13,8 миллиарда лет назад — и в 1960-х годах астрономы именно это и нашли, в виде космического микроволнового фона.

В настоящее время нет универсального испытания, которое обеспечило бы твердые доказательства этой идее. Тем не менее некоторые физики считают, что голографический принцип предсказывает предел тому, сколько информации может содержать пространство-время, поскольку наше кажущееся трехмерное пространство-время закодировано в ограниченном количестве двумерной информации.

Крейг Хоган из Лаборатории Ферми использует инструмент под названием Holometer, который должен уловить доказательства вышесказанного. Он полагается на мощные лазеры, которые ищут фундаментальный предел количества информации, присутствующей в самом пространстве времени — на сверхмалых субмикроскопических уровнях. Если найдут, то это будет доказательством того, что мы живем в голограмме.

Другие физики, включая Сасскинда, не верят в этот эксперимент и говорят, что он не обеспечит никаких доказательств голографическому принципу.

Хорошо, мы живем в голограмме. Что дальше?

Строго говоря, ничего. Законы физики, по которым вы проживаете свою жизнь, останутся прежними. Ваш дом, пес, машина, тело будут продолжать оставаться трехмерными объектами, какими всегда казались и были. Но в глубоком смысле, это открытие произведет революцию в нашем существовании на фундаментальном уровне.

Для нашей повседневной жизни не имеет никакого значения, что 13,8 миллиарда лет назад во внезапном и жестоком взрыве, из единичной точки материи, образовалась наша Вселенная. Но открытие Большого Взрыва остается важным инструментом в нашем понимании истории Вселенной и понимании нашего места в космосе.

Точно так же странные принципы квантовой механики — запутанность, в которой две удаленные частицы каким-то образом влияют друг на друга, — никак не влияют на нашу повседневную жизнь. Вы не видите атомы и не знаете, что они делают на мельчайшем уровне. Но эти принципы позволяют нам открывать неожиданные законы природы.

Подтверждение голографического принципа станет таким же. Проживая свою жизнь, мы можем даже никогда не узнать о своеобразном и противоречивом факте, что живем в голограмме. Но это открытие станет важным шагом на пути к полному пониманию законов физики — которые определяют каждое действие, которое вы предпринимаете.