ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП: РЕАЛЬНОСТЬ КАК ИЛЛЮЗИЯ
В последние два десятилетия физики развивают любопытную идею. Возможно, мир, в котором мы живём, включая нас самих, — не более чем иллюзия, голограмма, созданная реальностью, в которой отсутствует важное свойство привычного нам мира — третье измерение.
Хуан Малдасена, профессор Института перспективных исследований в Принстоне, сыграл важнейшую роль в развитии этой идеи, известной как «голографический принцип» или «AdS/CFT соответствие». В 1990-х годах Малдасена придумал самую первую модель Вселенной, в которой реализован голографический принцип.
Голографический принцип вырос из одной из самых больших научных проблем двадцатого века: того факта, что две фундаментальные теории физики — теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности, ОТО) и квантовая механика, не уживаются друг с другом.
В то время как общая теория относительности описывает мир планет и галактик, квантовая механика рассматривает субатомные масштабы — царство фундаментальных частиц, из которых состоит материя. В этих малых масштабах масса мала, и гравитация ничтожна. Чтобы сделать одну, последовательную « теорию всего», было бы неплохо переписать теорию гравитации Эйнштейна в тех же терминах, что и квантовую теорию поля (общепризнанное сегодня квантово-механическое описание физики частиц). Однако любая прямолинейная попытка сделать это проваливается. Всё из-за того, что квантовая физика предполагает фундаментальное квантование всего и вся (отсюда и название), а ОТО предполагает гладкость и непрерывность ткани пространства-времени. «Наивное квантование гравитации не работает и приводит к математическим несоответствиям», — сказал Малдасена. «Нам нужно что-то новое».
Одним из сильных претендентов на теорию квантовой гравитации является теория струн, которая обходит математические проблемы прямолинейной квантовой гравитации. Это математическая теория, элегантность которой признают многие физики. К минусам теории струн можно отнести то, что она так и не дала полного описания мира, а также то, что она до сих пор не выдала какого-нибудь предсказания, которое можно было бы подтвердить или опровергнуть. Тем не менее, именно теория струн дала Малдасене ключ к решению загадки квантовой гравитации: он решил превратить гравитацию в иллюзию, созданную квантовой голограммой.
За 28 лет, прошедших с тех пор, как Малдасена предложил эту идею, физики использовали этот инструмент для решения вопросов о том, уничтожают ли чёрные дыры информацию, для лучшего понимания ранней эпохи в истории нашей Вселенной, называемой инфляцией, и для того, чтобы прийти к удивительному выводу, что пространство-время может быть не фундаментальным — оно может быть чем-то, что возникает в результате квантовой запутанности в низкоразмерных системах.
Тут, конечно, как обычно, есть подвох — все эти достижения связаны с теоретически правдоподобным антидеситтеровским пространством. А нашу Вселенную (приближённо — по крайней мере, на ранних её этапах) описывает деситтеровское пространство (без приставки анти-). Вся разница между двумя этими моделями заключается в знаке космологической постоянной. В модели де Ситтера (и в нашей Вселенной) она положительная, а в антидеситтеровской модели — отрицательная. Но физики оптимистично полагают, что однажды они придут к дуализму, который будет работать для обоих моделей. Если это произойдёт, это может привести к созданию теории квантовой гравитации, которая объединит общую относительность Эйнштейна с квантовой механикой.
А ещё из этого будет следовать, что наша Вселенная на самом деле — голограмма.
Голография — это изучение отношений, известных как дуальности. Например, голограмма — это двумерное изображение, хранящее информацию обо всех трёх измерениях изображаемого объекта. Голографический принцип, по сути, говорит, что мир, который мы видим, с его тремя измерениями и одним измерением времени, является приближением к чему-то более фундаментальному, двумерному. Мы не знаем, правда ли это, а если и правда, то мы не знаем в деталях, как это должно работать.
Конечно, можно считать, что это всего лишь метафора, аналогия, которая отражает часть математики, лежащей в основе этого принципа. Но на самом деле голографический принцип может быть фундаментальным свойством квантовой гравитации, которая теоретически описывает гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики. Голографический принцип был реализован математически, но в другой теоретической вселенной. И пока что это всё очень напоминает анекдот про сферического коня в вакууме.
В 1935 году Альберт Эйнштейн опубликовал две работы: В марте того года он написал: « Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». А в мае: « Проблема частиц в общей теории относительности».
Физик-теоретик Леонард Сасскинд, профессор теоретической физики Стэнфордского университета, объяснил, что Эйнштейн был согласен с тем, что квантовая механика даёт описание микроскопического мира. Однако сам Эйнштейн считал, что это временная теория, которая будет заменена теорией, не опирающейся на вероятности. Он работал над тем, чтобы выявить те качества квантовой механики, которые противоречат тому, как устроен мир.
Ахиллесова пята этой теории, по мнению Эйнштейна, заключается в том, что, согласно математике квантовой механики, если два объекта взаимодействуют, а затем расходятся на большое расстояние друг от друга, то измерение одного из них мгновенно отразится на другом, независимо от расстояния. Он назвал это « пугающим дальнодействием», и это не давало ему покоя. Он не мог принять такой квантовый взгляд на реальность. Теперь мы называем этот нелокальный эффект «запутыванием».
Во второй работе Эйнштейн и Розен обнаружили, что две области пространства можно соединить с помощью своеобразного моста, перекинутого от одной точки пространства-времени к другой. Это представление привело к появлению идей о червоточинах и о так называемом «горизонте событий», существующем вокруг каждой чёрной дыры (а может, и не каждой). Согласно общей теории относительности, то, что попадает в чёрную дыру, остаётся в ней. Любая масса, если её достаточно сильно сжать, может превратиться в чёрную дыру, где гравитация будет настолько сильной, что ничто не сможет покинуть её окрестности.
Но в 1970-х годах Стивен Хокинг предсказал, что чёрные дыры в районе горизонта событий испускают излучение. По мере того, как излучение со временем улетучивается в космос, чёрная дыра испаряется. Излучение Хокинга — тепловое, оно не может нести информацию, то есть данные, описывающие физические явления. Так что же происходит с информацией? Квантовая механика утверждает, что информация не теряется, и что вы можете создать начальное состояние из конечного состояния объекта. Ничего не теряется. Но если информация не может быть уничтожена, тогда придётся менять общепринятые законы физики. Это и есть «информационный парадокс чёрной дыры».
Когда физик-теоретик, профессор Утрехтского университета и лауреат Нобелевской премии по физике (1999) Герард Хофт проанализировал излучение Хокинга, он понял, что в этом излучении падающие в дыру частицы могут влиять на частицы, улетающие в космос. А в 1994 году Леонард Сасскинд опубликовал работу « Мир как голограмма», в которой утверждает: «Сочетание квантовой механики и гравитации требует, чтобы трёхмерный мир представлял собой образ данных, которые могут быть сохранены на двумерной проекции, подобно голографическому изображению». В этой работе он использует теорию струн как возможный способ реализации идеи.
В парадигме теории струн это объясняется примерно так. Чем точнее вы пытаетесь измерить квантовую струну, тем больше она оказывается «размазанной» по всему пространству — работает нечто вроде принципа неопределённости Гейзенберга. Если вы смотрите на неё не так «пристально», то она локализуется в какой-то точке пространства. Когда частица падает в чёрную дыру, для внешнего наблюдателя её время замедляется. И тот, кто наблюдает за ней со стороны, видит её всё более и более точно. И по мере того как этот масштаб наблюдения увеличивается, она размазывается в пространстве, и в итоге уходит не просто за горизонт чёрной дыры, но и в бесконечность.
Другими словами, информация на самом деле никогда не падает в чёрную дыру и не исчезает в ней. Она сохраняется, и её можно восстановить. А в чёрную дыру падает своего рода образ частицы.
Получается, что информация закодирована где-то за пределами Вселенной — примерно так описывает происходящее Хофт в работе « Уменьшение размерности квантовой гравитации». Таким образом, Вселенная представляет собой голограмму.
Всё это нельзя считать строгим доказательством того, что чёрные дыры или наша Вселенная — это голограммы. Но уже в самом начале исследований физики поняли, что взгляд на всю Вселенную как на двумерный объект, который только выглядит трёхмерным, может помочь решить некоторые более глубокие проблемы теоретической физики. И математика работает одинаково хорошо, вне зависимости от того, идёт речь о чёрной дыре, планете или целой Вселенной.
В 1997 году Малдасена продемонстрировал, как некая гипотетическая вселенная может быть голограммой. В частности, Малдасена показал, что пятимерная теория типа воображаемого пространства, называемого антидеситтеровским пространством (AdS), включающая гравитацию, может описывать ту же систему, что и более низкоразмерная квантовая теория частиц и полей в отсутствие гравитации, называемая конформной теорией поля (CFT). Другими словами, он нашёл две разные теории, которые могут описывать одну и ту же физическую систему, показав, что эти теории в некотором смысле эквивалентны, несмотря на то, что они включают разное количество измерений, и одна из них учитывает гравитацию, а другая — нет. Затем Малдасена предположил, что эта дуальность AdS/CFT будет справедлива и для других пар теорий, в которых одна из них имеет одно дополнительное измерение — возможно, даже для тех, которые описывают 4-мерное пространство-время, подобное нашему.
Предположение было одновременно интригующим и шокирующим. Как теория, включающая гравитацию, могла быть такой же, как и теория, в которой гравитации не было места? Как они могут описывать одну и ту же Вселенную? Но дуализм в значительной степени устоял. По сути, теория утверждает, что мы можем понять, что происходит внутри объёма пространства-времени, в котором есть гравитация, изучая квантово-механическое поведение частиц и полей на поверхности этого объёма, используя теорию, описывающую пространство, где измерений на одно меньше, в котором гравитация не играет никакой роли. Иногда некоторые вещи легче понять в одном описании, чем в другом, и понимание того, что вы действительно говорите об одной и той же физике — это мощный инструмент.
Таким образом он объединил две чрезвычайно важные, разрозненные концепции в физике — теорию гравитации и физику частиц под одной теоретической основой.
Конечно, всё это ещё не означает, что наша реальная вселенная, а не эта странная гипотетическая, является голограммой. Но может ли наша Вселенная на самом деле быть голограммой — или эта идея применима только к гипотетическим вселенным?
Этот вопрос всё ещё активно обсуждается. Но в последнее время появилось несколько теоретических работ, которые указывают на то, что голографический принцип может работать и для нашей Вселенной, включая работу австрийских и индийских физиков.
Как и Малдасена, они также пытались использовать этот принцип, чтобы найти сходство между несопоставимыми областями квантовой физики и гравитационной теории. В нашей Вселенной эти две теории обычно не совпадают: они предсказывают разные результаты относительно поведения каждой конкретной частицы.
Но в новой работе физики рассчитали, как эти теории предсказывают степень запутанности — того самого пугающего дальнодействия. Они обнаружили, что, рассматривая одну конкретную модель плоской вселенной как голограмму, они действительно могут добиться совпадения результатов обеих теорий.
И всё же, хотя эта вселенная была немного ближе к нашей, чем та, с которой работал Малдасена, это был всего лишь один конкретный тип плоского пространства, и в их расчётах не учитывалось время — только три других пространственных измерения. Более того, даже если бы это было применимо непосредственно к нашей вселенной, это лишь показало бы, что она может быть голограммой. Это не было убедительным доказательством.
Наилучший тип доказательства начинался бы с какого-нибудь проверяемого предсказания, сделанного голографической теорией. Затем физики-экспериментаторы могли бы собрать доказательства, чтобы проверить, соответствуют ли они предсказанию. Например, теория Большого взрыва предсказывала, что мы можем найти остатки энергии, распространившиеся по Вселенной в результате окончания рекомбинации, случившегося спустя 380 000 лет после Большого взрыва, и в 1960-х годах астрономы обнаружили именно их в виде реликтового излучения.
На данный момент не существует общепринятого теста, который бы обеспечил надёжное доказательство этой идеи. Тем не менее, некоторые физики считают, что голографический принцип предсказывает, что существует предел тому, сколько информации может содержать пространство-время, поскольку наше пространство, кажущееся нам трёхмерным, закодировано ограниченным количеством двумерной информации. Как недавно сказал Крейг Хоган из Фермилаба: «Основной эффект заключается в том, что реальность вмещает ограниченное количество информации, как фильм в низком разрешении. Поэтому всё немного размыто и дрожит».
Хоган и другие исследователи используют прибор под названием Holometer для поиска такого рода «размытости». Он использует мощные лазеры, чтобы выяснить, существует ли на сверхмалых, субмикроскопических уровнях фундаментальный предел количества информации, содержащейся в самом пространстве-времени. Если это так, то это может стать доказательством того, что мы живём в голограмме. Однако другие физики, включая Сасскинда, отвергают предпосылки этого эксперимента и говорят, что он не может служить доказательством голографического принципа.
Допустим, мы докажем, что Вселенная — это голограмма. Как это скажется на нашей обычной жизни? С одной стороны, можно сказать, что никак. Те же законы физики, с которыми мы живём всю жизнь, останутся неизменными. Все окружающие нас предметы останутся такими же. Однако с тем же успехом можно сказать, что для нашей повседневной жизни не имеет особого значения, образовалась ли Вселенная 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва. Однако это имеет огромное значение для нашего нынешнего понимания истории Вселенной и нашего места в космосе.
Доказательство голографического принципа станет во многом аналогичной вехой в науке (как и опровержение). Живя обычной жизнью, мы, скорее всего, не будем задумываться о том, что живём в голограмме. Но это открытие станет важным шагом на пути к полному пониманию законов физики, которые диктуют каждое ваше действие.
Источник: Хабр
