В конце 1990-х годов теоретические физики обнаружили замечательную связь между двумя, казалось бы, не связанными понятиями в своей науке. Эта связь почти непостижимо техническая, но она может иметь далеко идущие последствия для нашего понимания силы тяжести и даже Вселенной. Чтобы проиллюстрировать это соединение, начнем с черной дыры.
Влияние черной дыры на поток информации
Исследователи обнаружили, что когда один бит информации попадает в черную дыру, площадь ее поверхности увеличивается на очень точное количество: квадрат длины Планка, равный невероятно малым 1,6 х 10-35 м.
Изначально может показаться не совсем интересным, что черная дыра становится больше в том случае, когда в нее попадает вещество или энергия, но самое удивительное заключается в том, что площадь поверхности, а не объем, растет прямо пропорционально достоверной информации. Это совершенно не похоже на большинство других известных объектов во Вселенной.
Живем ли мы в трехмерном пространстве?
Для большинства объектов, с которыми мы знакомы, действует единый закон: если он «потребляет» один бит информации, его объем будет расти на единицу, а его площадь поверхности — лишь на долю. Но с черными дырами ситуация кардинально меняется. Это похоже на то, что информация не пребывает внутри черной дыры, а вместо этого прилипает к ее поверхности.
Таким образом, черная дыра представляет собой полностью трехмерный объект в нашей трехмерной вселенной и может быть полностью представлена двумерной поверхностью.
Как функционируют голограммы?
Голограмма представляет собой систему, использующую меньшее количество измерений. Она может упаковывать всю информацию из исходной системы.
Например, мы живем в трех пространственных измерениях. Когда вы позируете перед камерой, то она записывает двумерное изображение вашего лица, но оно не захватывает всю информацию. Когда вы позже исследуете свою работу и используете фильтр, вы не можете, например, видеть заднюю часть головы, независимо от того, как вы поворачиваете изображение. Но запись голограммы сохранит всю эту информацию. Несмотря на то что это двумерное представление, вы все равно сможете изучить его со всех трехмерных углов.
Черная дыра как голограмма
Описывание черной дыры в виде голограммы может обеспечить решение так называемого парадокса информации о черной дыре, загадку того, где рождается информация, когда вещество потребляется черной дырой. Но это тема другой статьи. Концепция «черной дыры как голограммы» также является хорошим примером, который следует учитывать, когда мы пытаемся рассмотреть всю вселенную.
Решение частных проблем
Соответствие между кажущимися несвязанными ветвями физики, которое упомянуто в начале этой статьи, — это еще одно применение голографических методов, которое происходит благодаря невероятной модели AdS-CFT.
AdS означает «анти-де Ситтер». Эта модель представляет частное решение общей теории относительности Эйнштейна. Она описывает совершенно пустую вселенную с отрицательной пространственной кривизной.
Это довольно скучная вселенная: она не содержит материи или энергии, а параллельные линии в конечном счете расходятся, исходя из положения основной геометрии. Хотя этот процесс может и не описывать вселенную, он по крайней мере предполагает, что жизнь на земле имеет начало. Эта несколько смягченная модель Вселенной обладает необходимыми математическими свойствами, чтобы сделать теорию соединений актуальной.
Теория поля
Другая сторона соответствия — это структура, называемая конформной теорией поля. Теоретическая физика отталкивает своими полевыми теориями. Это рычаги, используемые учеными для создания множества квантовых теорий, применяемых для описания трех из четырех сил природы.
Электромагнетизм, сильная ядерная сила и слабая ядерная сила смогли быть описаны благодаря теории поля, и за последние полвека человечество часто практиковало их использование.
Следует понять, почему это соединение так важно. Скажем, вы пытаетесь решить действительно тяжелую проблему, например квантовую гравитацию, используя теорию струн, которая является попыткой объяснить все фундаментальные силы и частицы во Вселенной в терминах крошечных вибрационных струн. На самом деле это такая сложная проблема, что никто не нашел для нее решения, несмотря на попытки многих десятилетий.
Переписка AdS-CFT говорит нам, что можно использовать голографическую технику, чтобы избавить мир от этой головной боли.
Вместо того чтобы пытаться решить проблему квантовой гравитации в нашей трехмерной вселенной, AdS-CFT позволяет нам перейти на эквивалентную задачу на границе Вселенной, которая представлена только двумя измерениями и не содержит гравитации.
Уравнения теории поля
Почти невозможные математические исчисления струнной теории заменяются набором просто безумно трудных уравнений теории поля. Это позволяет найти решение проблем без какой-либо силы тяжести, которая мешает переносить решение обратно в нормальную трехмерную вселенную и делать какие-то прогнозы. Все это выглядит как замечательная идея и способ обмануть природу, обойдя гравитационные механизмы. И это может оказаться блестящим методом «решить» квантовую гравитацию.
Существующие противоречия
Но на данный момент существуют некоторые противоречий. Во-первых, мы не живем во вселенной анти-де Ситтера. Наша Вселенная полна материи, радиации и темной энергии и имеет почти совершенно плоскую геометрию.
Существует ли аналогичное соответствие, которое работает в нашей реальной вселенной? Может быть, и теоретики упорно трудятся, чтобы найти «границу», принятую за соответствие АдСа-CFT космологическому горизонту — пределу того, что мы можем видеть в нашей наблюдаемой Вселенной.
Все было бы понятно, за исключением того момента, что мы живем в динамическом пространстве-времени с постоянно растущим космосом, и эта граница постоянно меняется. Это положение не очень хорошо объясняется в современных теориях.
В самом деле, когда мы переходим от модели, описанной астрофизиком Ситтером к более простой граничной модели, где применяется конформная теория поля, новые системы уравнений принципиально разрешимы.
Они все еще имеют место, но зачастую выглядят фантастически, пагубно, пугающе и неразрешимо.
Так существует ли голограмма?
Даже если ссылка AdS-CFT оказалась бы полезной для решения проблемы квантовой гравитации и физики смогли найти способ ориентироваться в задачах и сделать этот метод актуальным для вселенной, в которой мы живем, это не означает, что мы действительно живем в голограмме.
Ошибочно полагать, что модель AdS-CFT представляет собой удобный способ решения гравитационных проблем нашей вселенной с гравитацией в трех измерениях.
Все это иллюзия, и мы действительно живем в двумерном пространстве без гравитации. Математическое приспособление, столь же удобное, как это, не изменяет наши взгляды на фундаментальный характер действительности.
Если голографические принципы полезны для решения проблем, это не означает, что мы живем в голограмме. И даже если бы мы действительно жили в голограмме, мы бы не смогли в любом случае определить разницу.
