Всесвіт – не голограма
Можливо, фізики скоро зможуть запропонувати нам картину світу, яка не зламає наш мозок
Поділитися:
На різні наукові відкриття громадська думка реагує із різною швидкістю. Якщо, наприклад, вчені доведуть, що від орального сексу волосся втрачає свій блиск і еластичність, відповідні заголовки з'являться на порталах новин буквально наступного дня. Але що легко спалахнуло — швидко згоряє: вже за кілька днів публіка втратить до новини будь-який інтерес. Мовляв, нічого страшного, ті ж вчені якось розберуться, додадуть чогось такого в шампунь, щоб наукове відкриття не загрожувало звичному балансу повсякденного життя людей.
Але чим нудніша і мудріша галузь науки, чим далі вона від турбот і сподівань простої людини, тим більше часу потрібно пресі, щоб відреагувати на новину. Граничний випадок – теоретична фізика. Розрахує теоретик щось таке — а ніхто й не зрозумів, що, власне, сталося. Може, він там у формулі взагалі переплутав синус із косинусом. Спершу йому треба привернути увагу своїх цокнутих колег-фізиків, щоб вони зрозуміли, про що він тлумачить, перевірили всі викладки, кілька разів вилаяли один одного «зарозумілими невігласами», як вони іноді це роблять навіть у нас у спільноті. Дай боже, через пару років буде розуміння. Тільки потім поступово новина приверне увагу журналістів. І тоді вони нарешті напишуть про сенсаційне відкриття.
При цьому, звичайно, все на світі перекинувши і заплутавши.
Саме це ми і маємо намір зараз зробити.
Відкриття, про яке йтиметься, зроблено далекого 2013 року. Але тодішню статтю, написану Леонардом Саскіндом і Хуаном Малдасеною, мало хто міг зрозуміти, окрім жменьки їхніх колег. Справа трохи зрушила минулої весни, коли Саскінд прочитав дуже зрозумілулекцію у Стенфорді. А тепер, коли Малдасена виклав історію в Scientific American для зовсім дрімучих профанів, увесь світ запідозрив, що фізики й справді напали на слід якоїсь дуже важливої таємниці Всесвіту. Тут настала і наша черга познайомити читачів з цією хвилюючою темою.
За нашою традицією, щоб одразу відлякати найповерхніших і непосидючих читачів, почнемо ми зовсім здалеку.
Нечесна перевага Ейнштейна
Моцарт, звичайно, великий композитор, але якби він одразу після «Реквієму» написав «Апасіонату», симфонічну поему «Влтава» та балет «Петрушка», було б, погодьтеся, нечесно: Бетховену, Сметані та Стравінському майже нічого не залишилося б складати . Однак у фізиці якраз подібна незручність і сталася.
Сучасна фізика, по суті, складається з квантової механіки та теорії відносності. Теорію відносності у 1904–1918 роках. вигадав Альберт Ейнштейн. Одна з перших цеглинок квантової механіки — пояснення фотоелектричного ефекту, за яке нобелівську премію отримав знову ж таки Ейнштейн. Потім, звичайно, Шредінгер, Бор та Гейзенберг зробили величезну кількість чорної роботи, але невже важко було відкласти для когось із них і ту першу квантову нобелівку? Чому одним усі, а іншим нічого?
Чи варто говорити, що і заплутані частинки, і кротові нори отримали у науково-популярних книжках найширше паблісіті. На перших засновано квантову телепортацію, на других — всякі фантастичні машини часу та хитрі пристосування для миттєвих міжзоряних перельотів. Тобто дві головні науково-популярно-фантастичні фішки ХХ століття теж справа рук Ейнштейна, причому породив він їх практично одночасно.
До чого тут голограми
Перший невиразний натяк на те, що у квантової механіки та ВТОможливо щось спільне, прийшов у 1998 році. Не надто відомий аргентинський фізик Хуан Малдасена зробив доповідь, з якої випливало, що в математичних розрахунках формули квантової механіки можна замінити на формули релятивістики — треба лише додати простору ще один вимір. Цей фокус назвали AdS-CFT-еквівалентністю (AdS - це такий особливий «простір анти-де Сіттера», до якого призводить теорія Ейнштейна в порожньому просторі, а CFT - конформна теорія поля, штука безпросвітно квантова). Розрахунки це сильно спрощувало, але що все це означає, ніхто до ладу не розумів. Одне з видінь таке: ми живемо в тривимірному світі, де тіла притягують одне одного, маси викривляють простір і відбувається вся інша ерунда ейнштейнів. Однак, щоб описати цю нісенітницю, достатньо розглянути квантові поля на віддаленому кордоні — свого роду зовнішній оболонці цього світу. На цій тонкій плівці ніякої гравітації немає, там відбувається (математично) щось зовсім інше. І це «інше» породжує всю видимість нашого тривимірного світу.
У цій картинці багато шито білими нитками, але громадськості вона відразу сподобалася. Який добрий спосіб розправитися з усіма складнощами нашого світу — просто вважати, що насправді немає жодного світу! Є дивний візерунок з його поверхні, який, як і голографії, народжує всю цю видимість. А якщо все тільки видимість — то нехай у ній розуміються шалені теоретики, а нам із цим Всесвітом і так все ясно: її просто немає.
Статті з назвами «Наш світ — це голограма» почали розповзатися науково-популярними виданнями. Розповзалися вони ривками, отримуючи новий імпульс щоразу, коли фізикам вдавалося зробити якийсь новий цікавий розрахунок на основі AdS-CFT-еквівалентності. Таких розрахунків було чимало, і запівтора десятиліття теоретики непогано набили руку в тому, щоб стрибати від тензорних рівнянь ОТО до квантових полів і назад — а простий обиватель вкотре читав у розділі «Наука» не дуже виразне клопотання про голограму.
Тим часом Леонард Саскінд окрім інших своїх справ сперечався зі Стівеном Хокінгом про всякі парадокси чорних дірок. Про це він написав чудову книжку "Битва при чорній дірі", завдяки якій і став відомий профанній публіці. За передісторією питання (з його боку) надсилаємо читача до цієї книги.
А потім одного разу Саскінд заговорився з Хуаном Малдасеною про різні фізичні різниці, що й призвело до появи тієї самої статті 2013 року.
Що зробили Саскінд і Малдасена
Ну, звісно, не одні вони. Як тільки у фізиків з'явився такий чудовий інструмент, як AdS-CFT - тобто можливість іноді підміняти квантову механіку теорією відносності і навпаки - багатьом стало цікаво, чому саме відповідають ті чи інші елементи цієї квантової механіки. Про одну спробу в цьому розібратися ми якось писали: канадський фізик Ван Рамсдонк виявив, що квантова заплутаність може відповідати такій фундаментальній властивості класичного світу, як зв'язність (тобто, попросту кажучи, геометрія) простору-часу. Дуже важливе спостереження шкода, що не дуже зрозуміле.
Але на Малдасену і Саскінда велике враження справила інша робота: якийсь парадокс, що виникає, коли квантово-заплутані штуки виявляються всередині чорної дірки. Вони взялися розібратися у цьому парадоксі. А розібравшись, написали свою статтю.
Зате вони можуть зробити щось цікавіше. Ромео і Джульєтта починають будувати зі своїх заплутаних частинок дві віддалені чорні дірки. Зрештою, роботу закінчено.Помилувавшись на новенькі дірки, котрі м'яко поблискують хокінговим випромінюванням, коханці вниз головою кидаються туди — кожен у свою дірку.
. І там відбувається радісна зустріч! Тому що у двох дірок, збудованих у різних місцях із заплутаних частинок, буде загальне нутро. Тобто зовні це різні дірки, а всередині — та сама.
Саме цей результат отримали Малдасена та Саскінд. А якщо точніше, вони отримали ось що: математичний опис квантової заплутаності в чорних дірах виявився еквівалентним** тому самому рішенню Ейнштейна-Розена, яке описує кротові нори. Тобто принаймні в конкретному випадку квантова заплутаність і просторово-часовий тунель описуються однією і тією ж математикою. А значить, це просто одне й те саме явище.
Цю властивість фізичних рівнянь теоретики назвали ER = EPR, на честь тих давніх статей Ейнштейна. Виявилося, що два фізичні феномени, що спантеличили Ейнштейна в 1935 році — причому одне з них його, здається, заінтригувало, а друге не на жарт розчарувало — виявилися одним і тим же явищем.
Що все це означає
Строго кажучи, результати Малдасени та Саскінда відносяться до одного конкретного випадку: коли заплутані частинки перетинають обрій події. Однак багато хто якось одразу подумав, що це, швидше за все, окремий випадок загального правила: там, де є квантова заплутаність, є і кротова нора. А це означає, що нарешті намітився шлях узгодження квантової теорії та релятивізму, двох головних інтелектуальних дітлахів Альберта Ейнштейна. Ця історія страшенно надихнула фізиків. Наприклад, виник проект It from Qubit, учасники якого ставлять собі амбітне завдання: показати, як саме простір-час виникає із заплутаних станів квантових бітів інформації.
Простоголюдину з народу, на кшталт нас з вами, фізика цікавить лише як можливість вибудувати собі для особистого користування картину світу, яка хоч якось відповідала б реальному стану справ, тобто не була б надто неосвіченою. Сучасна фізика досі чинила опір такому з нею поводженню. У ній є кілька хитрих фокусів, які в звичайну голову вкладаються з великими труднощами.
Або інша історія: частка пролітає одночасно через дві щілини в екрані. Теж, знаєте, погано вкладається у голові. Нарешті, квантова телепортація — зовсім загадкова штука, хоч уже застосовується насправді для криптографії. Всі ці складності так і спокушають нас махнути рукою і сказати: «Та ну його до біса, цей світ з такими безглуздими правилами гри — все ж таки фізики довели, що це просто голограма!»
Але виявляється, що фокус під назвою ER = EPR непогано допомагає вкласти все це в голові, надаючи квантового світу цілком реальний і суттєвий сенс. Саме це і спробував показати Леонард Саскінд у своїй стенфордській лекції. Якщо наш читач випадково сам фізик, не вірте нам на слово, прочитайте цю лекцію. Якщо ж він не фізик, тоді гаразд, вірте: Саскінд по черзі розібрав Шредінгерівського кота (разом з Евереттівськими множинними світами та ще одним персонажем — «другом Вігнера», хто чув про нього, той зрозуміє), фокус із двома дірками в екрані та телепортацію , щоб дійти висновку: кротові нори, що виникають із квантової заплутаності, надають всьому цьому несподівано ясного сенсу. Цілком придатний для укладання в голову середнього споживача єдиних картин світу.
А якщо так, то в каламутних заголовках популярних статей типу «Ми живемо в голограмі» відпаде будь-яка потреба***. Скоро ми всі зможемо пояснити один одному без цих викрутасів, звичайнимилюдськими словами.
**Примітка 2, для вундеркіндів. Якщо ви дивуєтесь, як з апарату AdS-CFT, що вимагає уявити особливий світ з іншим числом вимірювань, випливають такі висновки про реальний тривимірний світ, зверніть увагу на те, що квантово-заплутані частинки з мішка Аліси та Боба опиняються на горизонті подій чорних дірок, а це двовимірні поверхні.
***Примітка 3, для впертого любителя голограм. «Ні, ну а голографічний принцип нікуди не подівся?» — спитає він. Слово для відповіді надається Леонарду Саскінду, і не моя вина, якщо ви його неправильно зрозумієте: «Нинішнє джерело всілякої мудрості, теорія AdS-CFT, дала величезний поштовх квантової гравітації, але нею все не вичерпується. Чому в AdS-CFT ми ніколи не порушуємо тих питань, які порушує «формулювання відносних станів»? Тому є причина: існування асимптотичного кордону. Теорія побудована так, що зовнішній «надспостерігач» може маніпулювати з CFT і робити вимірювання, але цей надспостерігач не є частиною системи. Для такого надспостерігача копенгагенської інтерпретації (з колапсом хвильової функції) цілком достатньо. Але рано чи пізно доведеться вийти з безпечної зони асимптотично холодних кордонів і сформулювати теорію, в якій Всесвіт постає як переплетена мережа заплутаних підсистем без виділеного надспостерігача. Я очікую, що коли це станеться, ER=EPR стане одним із наріжних каменів цієї теорії».