Фізики вважають, що ми живемо у гігантській голограмі
Деякі фізики насправді вважають, що всесвіт, у якому ми живемо, може бути гігантською голограмою. Таке наукове сповідання стає дедалі популярнішим. І найцікавіше, що ця ідея не зовсім нагадує моделювання на кшталт «Матриці», а швидше призводить до того, що хоча нам здається, що ми живемо у тривимірному всесвіті, вона може мати лише два виміри. Це називається голографічним принципом.
Ідея зводиться до наступного: деяка віддалена двовимірна поверхня містить усі дані, необхідні для повного опису нашого світу – і, як і в голограмі, ці дані проектуються у три виміри. Подібно до персонажів на телеекрані, ми живемо на плоскій поверхні, яка тільки здається нам глибокою.
Звучить абсурдно. Але якщо фізики дійдуть висновку, що їхні розрахунки вірні, всі великі проблеми фізики — на кшталт природи чорних дірок і примирення гравітації та квантової механіки — буде простіше вирішити. Коротше кажучи, закони фізики мають більше сенсу, коли написані у двох вимірах, а не у трьох.
«Серед більшості фізиків-теоретиків ця ідея не вважається божевільною, — каже Леонард Саскінд, фізик Стенфорда, який першим формально сформував цю ідею десятки років тому. — Вона стала робочим повсякденним інструментом вирішення проблем фізики».
Однак, варто відзначити важливий момент. Немає жодних прямих доказів того, що наш всесвіт насправді є двовимірною голограмою. Ці розрахунки не те саме, що математичний доказ. Швидше, вони є інтригуючим припущенням, що наш всесвіт може бути голограмою. І поки не всі фізики впевнені, що ми маємо хороший спосіб перевірити ідею експериментально.
Звідки взялася ідея, що Всесвіт може бутиголограмою?
Спочатку ця ідея з'явилася з пари парадоксів, пов'язаних із чорними дірками.
1. Парадокс втрати інформації у чорній дірі
У 1974 році Стівен Хокінг відкрив, що чорні дірки, всупереч усталеним переконанням, випромінюють невелику кількість радіації з часом. Зрештою, коли вся енергія випливе за обрій подій — зовнішню межу чорної діри, — чорна діра має повністю зникнути.
Тим не менш, ця ідея призвела до появи проблеми втрати інформації в чорній дірі. Довгий час вважалося, що фізично інформацію знищити не можна: всі частинки набувають оригінальної форми, або у разі зміни впливають на інші частинки, тому за змінами можна відновити початковий стан частинок.
У рамках аналогії уявіть стос документів, який згодовують шредеру. Навіть якщо документи будуть розірвані на дрібні частки, інформація в них все ще існуватиме. Вона буде розбита на дрібні частини, але не зникне і за певний час документ можна буде зібрати заново. Тому ви зможете дізнатись, що в ньому було записано. По суті, те саме можна застосувати до частинок.
Але є проблема: якщо чорна діра зникає, інформація про кожного засмоктуваного в неї об'єкта теж здається зниклою.
Одне з рішень, запропоноване Саскіндом і голландським фізиком Герардом Т'Хоофтом у середині 90-х, полягало в тому, що коли об'єкт затягується в чорну дірку, він залишає позаду свого роду двовимірний відбиток, закодований у горизонті подій. Пізніше, коли випромінювання виходить із чорної дірки, воно підхоплює відбитки цих даних. Таким чином, інформація не руйнується насправді.
Розрахунки показали, що на двовимірній поверхні чорної дірки можна зберігати достатньо інформації, щобповністю описати всі можливі тривимірні об'єкти усередині.
«Аналогія, про яку ми обоє подумали незалежно, це щось на зразок голограми — двовимірного шматка плівки, на якій можна закодувати інформацію про тривимірний регіон простору», — каже Саскінд.
2. Проблема ентропії
Також була пов'язана з цим проблема розрахунку кількості ентропії у чорній дірі — тобто кількості безладу та випадковості серед її частинок. У 70-х роках Яаков Бекенштейн підрахував, що її ентропія обмежена та її планка пропорційна двовимірній області горизонту подій чорної діри.
«Для систем ординарної матерії ентропія пропорційна обсягу, а чи не площі», — каже Хуан Малдасена, аргентинський фізик, який брав участь у дослідженні голографічного принципу. Зрештою, він та інші дійшли висновку, що те, що виглядає як тривимірний об'єкт — чорна діра, — може бути краще зрозуміло у двох вимірах.
Як ця ідея перейшла від чорних дірок до цілого Всесвіту?
Ніщо з цього не доводить, що чорні дірки – голограми. Але майже відразу, каже Саскінд, фізики визнали, що розгляд Всесвіту як двовимірного об'єкта, який тільки здається тривимірним, може допомогти вирішити масу глибоких проблем теоретичної фізики. Математика теорії працює однаково добре незалежно від того, кажете ви про чорну дірку, планету або цілий Всесвіт.
У 1998 році Малдасена продемонстрував, що гіпотетичний всесвіт може бути голограмою. Його приватний гіпотетичний всесвіт був так званий анти-де-сітерівський простір (простими словами, вигнута на великих відстанях форма, на відміну від нашого плоского всесвіту).
Більше того, при погляді на цей всесвіт у двох вимірах він знайшов спосіб залучитинеймовірно популярну ідею теорії струн — широкого теоретичного поля, в якому базовими будівельними блоками нашого Всесвіту є одномірні струни, а не частинки.
І що ще важливіше, у процесі цього він об'єднав дві неймовірно важливі та окремі концепції фізики в одні теоретичні рамки. "Голографічний принцип поєднав теорію гравітації з теоріями фізики елементарних частинок", - говорить Малдасена.
Поєднання цих двох фундаментальних ідей в одну послідовну теорію (часто звану квантовою гравітацією) залишається одним зі святих Граалей фізики. Звичайно, і це теж не говорить нам про те, що наш всесвіт — а не гіпотетичний — є голограмою.
Чи може наш всесвіт у принципі бути голограмою — чи ця ідея застосовується лише до гіпотетичної? Це залишається предметом запеклих дебатів.
Останнім часом було проведено багато теоретичної роботи, які привели до думки, що голографічний принцип може працювати для нашого Всесвіту — включаючи роботи високого профілю австрійського та індійського фізиків, які вийшли в травні.
Як і Малдасена, вони також прагнули застосувати принцип і знайти схожість між різнорідними галузями квантової фізики та теорією гравітації. У нашому Всесвіті, ці дві теорії не сходяться: вони пророкують різні результати щодо поведінки будь-якої окремої частинки.
Але в новій роботі фізики розрахували, як ці теорії можуть передбачити ступінь заплутаності — дивного квантового явища, при якому стан двох крихітних частинок може корелювати так, що зміна однієї частинки вплине на іншу навіть на великій відстані. Вчені з'ясували, що розглядаючи одну конкретну модель плоского всесвіту як голограми, вони можуть отримати збігаються результати з обох теорій.
Тим не менш, хоча це трохи ближче до всесвіту, над яким працював Малдасена, вчені працювали тільки з одним приватним типом плоского простору, а їх розрахунки не брали до уваги час — лише три просторові виміри. Більше того, навіть якби це можна було застосувати безпосередньо до нашого Всесвіту, це показало б лише те, що він може бути голограмою.
Як довести, що наш Всесвіт – голограма?
Кращий тип доказу повинен починатися з якогось передбачуваного прогнозування, що виводиться в рамках голографічної теорії. Фізики-експериментатори могли б зібрати докази, щоби побачити, чи відповідають результати передбаченням. Наприклад, теорія Великого Вибуху передбачила, що ми могли б знайти залишки енергії, що походить від усього Всесвіту внаслідок жорстокого розширення 13,8 мільярда років тому — і в 1960-х роках астрономи саме це й знайшли у вигляді космічного мікрохвильового фону.
В даний час немає універсального випробування, яке б забезпечило тверді докази цієї ідеї. Проте деякі фізики вважають, що голографічний принцип передбачає межу того, скільки інформації може містити простір-час, оскільки наш тривимірний простір-час, що здається, закодовано в обмеженій кількості двовимірної інформації.
Крейг Хоган із Лабораторії Фермі використовує інструмент під назвою Holometer, який має вловити докази сказаного вище. Він покладається на потужні лазери, які шукають фундаментальну межу кількості інформації, яка є у самому просторі часу — на надмалих субмікроскопічних рівнях. Якщо знайдуть, це буде доказом того, що ми живемо в голограмі.
Інші фізики, включаючи Саскінда, не вірять у цейексперимент і кажуть, що не забезпечить жодних доказів голографічному принципу.
Добре, ми живемо у голограмі. Що далі?
Строго кажучи, нічого. Закони фізики, за якими ви мешкаєте своє життя, залишаться незмінними. Ваш будинок, пес, машина, тіло залишатимуться тривимірними об'єктами, якими завжди здавалися і були. Але в глибокому сенсі це відкриття зробить революцію в нашому існуванні на фундаментальному рівні.
Для нашого повсякденного життя не має жодного значення, що 13,8 мільярда років тому у раптовому та жорстокому вибуху, з одиничної точки матерії, утворився наш Всесвіт. Але відкриття Великого Вибуху залишається важливим інструментом у нашому розумінні історії Всесвіту та розумінні нашого місця у космосі.
Так само дивні принципи квантової механіки — заплутаність, у якій дві віддалені частки якимось чином впливають одна на одну, — ніяк не впливають на наше повсякденне життя. Ви не бачите атомів і не знаєте, що вони роблять на найменшому рівні. Але ці принципи дають нам змогу відкривати несподівані закони природи.
Підтвердження голографічного принципу стане таким самим. Проживаючи своє життя, ми можемо навіть ніколи не дізнатися про своєрідний і суперечливий факт, що живемо в голограмі. Але це відкриття стане важливим кроком на шляху до повного розуміння законів фізики — які визначають кожну дію, яку ви робите.