Некоторые физики на самом деле верят, что Вселенная, в которой мы живем, может быть голограммой.
Идея не в том, что Вселенная — это своего рода фальшивая симуляция из «Матрицы», а в том, что, хотя нам кажется, что мы живем в трехмерной вселенной, она может иметь только два измерения. Это называется голографическим принципом.
Мысль звучит так: некая далекая двумерная поверхность содержит все данные, необходимые для полного описания нашего мира — и, как и в голограмме, эти данные проецируются в трех измерениях. Подобно персонажам на экране телевизора, мы живем на плоской поверхности, которая кажется глубокой.
Это может звучать абсурдно. Но когда физики в своих расчетах предполагают, что это правда, все виды серьезных физических проблем, таких как природа черных дыр и согласование гравитации и квантовой механики, становятся намного проще решать. Короче говоря, законы физики, кажется, имеют больше смысла, когда они записаны в двух измерениях, чем в трех.
«Большинство физиков-теоретиков не считают это какой-то дикой спекуляцией», — говорит Леонард Сасскинд , физик из Стэнфорда, который впервые формально сформулировал эту идею несколько десятилетий назад. «Это стало рабочим повседневным инструментом для решения задач по физике».
Но здесь следует сделать важное различие. Нет прямых доказательств того, что наша Вселенная на самом деле представляет собой двумерную голограмму. Наши рассуждения не то же самое, что математическое доказательство. Скорее, это интригующие предположения о том, что наша Вселенная может быть такой. И пока не все физики верят, что у нас есть хороший способ проверить эту идею экспериментально.
Откуда взялась идея о том, что Вселенная может быть голограммой?
Первоначально эта идея возникла из пары парадоксов, касающихся черных дыр.
1) Проблема потери информации в черной дыре
В 1974 году Стивен Хокинг открыл, что черные дыры, вопреки тому, что долгое время считалось наоборот, на самом деле со временем излучают небольшое количество радиации. В конце концов, когда эта энергия уйдет за пределы горизонта событий — внешнего края черной дыры — черная дыра должна полностью исчезнуть.
Однако эта идея породила так называемую проблему потери информации в черной дыре. Долгое время считалось, что физическая информация не может быть уничтожена: все частицы либо сохраняют свою первоначальную форму, либо, если они изменяются, это изменение влияет на другие частицы, поэтому в конце можно сделать вывод об исходном состоянии первого набора частиц.
В качестве аналогии представьте себе стопку документов, проходящих через измельчитель. Несмотря на то, что они нарезаны на мелкие кусочки, информация, содержащаяся на кусочках бумаги, все еще существует. Его разрезали на мелкие кусочки, но он не исчез, и, если потратить достаточно времени, документы можно будет собрать заново. По сути, то же самое считалось и по поводу частиц.
Но возникла проблема: если черная дыра исчезает, то информация, содержащаяся в любом объекте, который мог быть в нее затянут, по-видимому, тоже исчезает.
Одно из решений, предложенное голландским физиком Джерардом 'т Хоофтом в середине 90-х годов, заключалось в том, что когда объект попадает в черную дыру, он оставляет после себя своего рода двумерный отпечаток, закодированный на горизонте событий. Позже, когда излучение покидает черную дыру, оно берет на себя отпечаток этих данных. Таким образом, информация на самом деле не уничтожается.
Их расчеты показали, что только на двумерной поверхности черной дыры можно хранить достаточно информации, чтобы полностью описать любые, казалось бы, трехмерные объекты внутри нее.
«Аналогия, о которой мы оба независимо думали, — это голограмма — двухмерный кусок пленки, который может закодировать всю информацию в трехмерной области пространства», — говорит Сасскинд.
2) Проблема энтропии
Проблема энтропии: существовала также связанная с ней проблема расчета количества энтропии в черной дыре, то есть степени беспорядка и хаотичности среди ее частиц. В 70-х годах Джейкоб Бекенштейн рассчитал, что их энтропия ограничена и что этот предел пропорционален двумерной площади горизонта событий черной дыры.
«Для систем обычной материи энтропия пропорциональна объёму, а не площади», — говорит Хуан Малдасена , аргентинский физик, занимающийся изучением голографического принципа.
Как эта идея распространилась от черных дыр на всю Вселенную?
Ничто из вышеперечисленного не является научным доказательством того, что черные дыры являются голограммами. Но, по заявлению Саскинда, физики осознали, что рассмотрение всей Вселенной как двумерного объекта, который только выглядит трехмерным, может помочь решить некоторые более глубокие проблемы теоретической физики. И эта математика работает одинаково хорошо, говорите ли вы о черной дыре, планете или целой вселенной.
В 1998 году Малдасена продемонстрировал , что гипотетическая Вселенная может быть голограммой. Его конкретная гипотетическая вселенная находилась в так называемом антидеситтеровском пространстве (которое, для упрощения, имеет изогнутую форму на огромных расстояниях, в отличие от нашей Вселенной, которая считается плоской):
Соответствие AdS/CFT — это конкретная реализация голографического принципа в рамках теории струн. Это соответствие было открыто в 1997 году Хуаном Мальдасеной, который показал, что определенная версия теории струн, живущая в пятимерном пространстве с отрицательной кривизной, называемом анти-де Ситтеровым пространством, эквивалентна четырехмерной квантовой теории поля, называемой конформной теорией поля, расположенной на границе этого пространства.
Более того, рассматривая эту Вселенную в двух измерениях, он нашел способ заставить все более популярную идею теории струн — широкую структуру, в которой основными строительными блоками Вселенной являются одномерные струны, а не частицы, — аккуратно согласовываться с общепризнанные законы физики элементарных частиц.
И что еще более важно, тем самым он объединил две чрезвычайно важные, разные концепции физики в рамках одной теоретической основы.
«Голографический принцип связал теорию гравитации с теориями физики элементарных частиц», — говорит Малдасена.
Объединение этих двух фундаментальных идей в единую последовательную теорию (часто называемую квантовой гравитацией) остается одним из Святых Граалей физики. Так что голографический принцип, сделавший это возможным в этой гипотетической вселенной, имел большое значение.
Конечно, все это совершенно не похоже на утверждение, что наша реальная Вселенная, а не эта странная гипотетическая, представляет собой голограмму.
Но может ли наша Вселенная на самом деле быть голограммой или эта идея применима только к гипотетическим теориям?
Это все еще предмет активных дискуссий. Но недавно были проведены некоторые теоретические работы, которые предполагают, что голографический принцип может работать и для нашей Вселенной, в том числе громкая статья австрийских и индийских физиков, вышедшая в мае этого года.
Как и Малдасена, они также стремились использовать этот принцип, чтобы найти сходство между разрозненными областями квантовой физики и теории гравитации. В нашей Вселенной эти две теории обычно не совпадают: они предсказывают разные результаты относительно поведения любой данной частицы.
Но в новой статье физики рассчитали, как эти теории будут предсказывать степень запутанности — причудливого квантового явления, при котором состояния двух крошечных частиц могут стать коррелированными так, что изменение одной частицы может повлиять на другую, даже если они бесконечно далеко друг от друга. Они обнаружили, что, рассматривая одну конкретную модель плоской Вселенной как голограмму, действительно можнодобиться совпадения результатов обеих теорий.
Как мы можем доказать, что Вселенная представляет собой голограмму?
Лучшее доказательство могло бы начаться с какого-нибудь проверяемого предсказания, сделанного голографической теорией. Затем физики-экспериментаторы могли бы собрать доказательства и проверить, соответствуют ли они предсказанию. Например, теория Большого Взрыва предсказывала, что мы могли бы обнаружить некую форму остатков энергии, исходящую по всей Вселенной в результате бурного расширения 13,8 миллиардов лет назад — и в 1960-х годах астрономы обнаружили именно это в виде космический микроволновый фон .
На данный момент не существует общепризнанного теста, который предоставил бы убедительные доказательства этой идеи. Тем не менее, некоторые физики полагают, что голографический принцип предсказывает, что существует предел тому, сколько информации может содержать пространство-время, поскольку наше, казалось бы, трехмерное пространство-время закодировано ограниченным количеством двумерной информации.
Хоган и другие используют инструмент под названием Голомер для поиска такого рода размытости. Он опирается на мощные лазеры, чтобы увидеть, существует ли — на сверхмалых, субмикроскопических уровнях — фундаментальный предел количества информации, присутствующей в самом пространстве-времени. Если они существуют, говорят они, это может быть доказательством того, что мы живем в голограмме.
Тем не менее, другие физики, в том числе Сасскинд, отвергают предпосылку этого эксперимента и заявляют, что он не может предоставить никаких доказательств голографического принципа.
Допустим, мы докажем, что Вселенная — это голограмма. Что это будет означать для моей повседневной жизни?
В строгом смысле слова это мало что изменит. Те же законы физики, по которым вы жили всю свою жизнь остаются точно такими же. Ваш дом, собака, машина и тело будут продолжать выглядеть как трехмерные объекты, как и всегда.
Но в более глубоком смысле это открытие произвело бы революцию в нашем существовании.
Для вашей повседневной жизни не имеет большого значения тот факт, что Вселенная образовалась 13,8 миллиарда лет в результате внезапного, бурного расширения из одной точки материи. Но открытие Большого взрыва играет важную роль в нашем нынешнем понимании истории Вселенной и нашего места в космосе.
Точно так же причудливые принципы квантовой механики — например, запутанность, при которой две удаленные частицы каким-то образом влияют друг на друга — тоже не меняют вашу повседневную жизнь. Вы не можете видеть атомы и не замечаете, как они это делают. Но эти принципы — еще одна основная истина, которая говорит нам нечто совершенно неожиданное о фундаментальной природе Вселенной.
Доказательство голографического принципа будет во многом таким же. Живя своей обычной жизнью, мы, вероятно, не будем особо задумываться о том странном и противоречивом факте, что мы живем в голограмме. Но это открытие послужит важным шагом на пути к полному пониманию законов физики, которые диктуют каждое ваше действие.