Пол Сътър е астрофизик от държавния университет в Охайо и главен учен в научния център COSI. Sutter е и управляващ директор на Ask the Spaceman и Space Radio и води AstroTours по целия свят. Ученият представи интересна статия в списанието Expert Voices.
В края на 90-те години теоретичните физици откриват забележителна връзка между две на пръв поглед несвързани понятия в тяхната наука. Тази връзка е почти неразбираемо техническа, но може да има далечни последици за нашето разбиране за гравитацията и дори за Вселената. За да илюстрираме тази връзка, нека започнем с черна дупка.
Влиянието на черна дупка върху потока от информация
Изследователите установили, че когато един бит информация удари черна дупка, повърхността му се увеличава с много точно количество: квадратът на дължината на Планк, равен на невероятно малък 1.6 х 10-35 м.
Първоначално може да не изглежда напълно интересно черната дупка да стане по-голяма, когато материя или енергия навлиза в нея, но най-изненадващото е, че повърхността, а не обемът, нараства в пряка пропорция с достоверната информация. Това е напълно за разлика от повечето други известни обекти във Вселената.
Промоционално видео:
Живеем ли в триизмерно пространство?
За повечето от обектите, с които сме запознати, съществува един-единствен закон: ако „консумира“един бит информация, обемът му ще нараства с една единица, а площта му ще расте само с малка част. Но с черните дупки ситуацията се променя драстично. Сякаш информацията не пребивава в черната дупка, а вместо това се придържа към нейната повърхност.
По този начин, черна дупка е напълно триизмерен обект в нашата триизмерна вселена и може да бъде представена изцяло от двуизмерна повърхност.
Как работят холограмите?
Холограма е система, която използва по-малко измерения. Той може да пакетира цялата информация от оригиналната система.
Например, ние живеем в три пространствени измерения. Когато позирате пред камерата, тя записва двумерно изображение на вашето лице, но не улавя цялата информация. Когато по-късно разгледате работата си и използвате филтъра, не можете, например, да видите задната част на главата, независимо как въртите изображението. Но записът на холограма ще запази цялата тази информация. Въпреки че това е 2D изглед, все още можете да го изследвате от всички 3D ъгли.
Черна дупка като холограма
Описването на черна дупка като холограма би могло да даде решение на така наречения парадокс на информацията за черната дупка, тайната на това къде се ражда информация, когато материята се консумира от черна дупка. Но това е тема за друга статия. Концепцията за "черна дупка като холограма" също е добър пример, който трябва да имате предвид, когато се опитвате да разгледате цялата Вселена.
Решаване на частни проблеми
Кореспонденцията между на пръв поглед несвързани отрасли на физиката, спомената в началото на тази статия, е друго приложение на холографски техники, което идва от невероятния модел AdS-CFT.
AdS означава Anti-De Sitter. Този модел представлява конкретно решение на общата теория на относителността на Айнщайн. Описва напълно празна вселена с отрицателна пространствена кривина.
Това е доста скучна вселена: тя не съдържа материя или енергия и паралелните линии в крайна сметка се разминават въз основа на позицията на основната геометрия. Въпреки че този процес може да не описва вселената, това най-малкото подсказва, че животът на земята има начало. Този донякъде спокоен модел на Вселената има необходимите математически свойства, за да направи теорията на съединенията уместна.
Теория на полето
Другата страна на съответствието е структура, наречена конформна теория на полето. Теоретичната физика отблъсква със своите теории на полето. Това са лостовете, използвани от учените за създаване на разнообразни квантови теории, използвани за описание на три от четирите сили на природата.
Електромагнетизмът, силната ядрена сила и слабата ядрена сила биха могли да бъдат описани чрез теория на полето и през последните половин век човечеството често практикува тяхното използване.
Трябва да се разбере защо тази връзка е толкова важна. Да кажем, че се опитвате да разрешите наистина тежък проблем като квантовата гравитация, използвайки теория на струните, което е опит да се обяснят всички основни сили и частици във Вселената по отношение на малки вибриращи струни. Всъщност това е толкова сложен проблем, че никой не е намерил решение за него, въпреки десетилетия опити.
Кореспонденцията на AdS-CFT ни казва, че холографските техники могат да се използват, за да се освободи света от това главоболие.
Вместо да се опитва да реши проблема с квантовата гравитация в нашата триизмерна вселена, AdS-CFT ни позволява да преминем към еквивалентен проблем в края на Вселената, който е представен само от две измерения и не съдържа гравитация.
Уравнения на теорията на полето
Почти невъзможното математическо смятане на теорията на струните се заменя с набор от просто безумно трудни уравнения на теорията на полето. Това ви позволява да намерите решения на проблеми без никаква гравитация, което ви пречи да прехвърлите решението обратно в нормалната триизмерна вселена и да правите някакви прогнози. Всичко това изглежда като чудесна идея и начин да излъжете природата, заобикаляйки гравитационните механизми. И това може да се окаже блестящ начин за "решаване" на квантовата гравитация.
Съществуващи противоречия
Но в момента има някои противоречия. Първо, ние не живеем в анти-де Ситер вселена. Нашата Вселена е пълна с материя, радиация и тъмна енергия и има почти напълно плоска геометрия.
Има ли подобна кореспонденция, която работи в нашата истинска вселена? Възможно е теоретиците да работят усилено, за да намерят „границата“, взета за съответствието на AdCa-CFT с космологичния хоризонт - границата на това, което можем да видим в нашата наблюдаема Вселена.
Всичко би било разбираемо, с изключение на момента, в който живеем в динамично пространство-време с постоянно нарастващо пространство и тази граница непрекъснато се променя. Тази позиция не е добре обяснена в съвременните теории.
В действителност, когато преминем от модела, описан от астрофизик Ситер, към по-прост граничен модел, използващ конформална теория на полето, новите системи на уравнения са фундаментално разрешими.
Те все още съществуват, но често изглеждат фантастични, катастрофални, плашещи и неразрешими.
Значи съществува холограма?
Дори ако връзката AdS-CFT се оказа полезна за решаване на проблема с квантовата гравитация и физиците могат да намерят начин да се ориентират по проблемите и да направят този метод подходящ за вселената, в която живеем, това не означава, че всъщност живеем в холограма.
Грешка е да се мисли, че моделът AdS-CFT е удобен начин за решаване на гравитационните проблеми на нашата Вселена с гравитация в три измерения.
Всичко това е илюзия и ние наистина живеем в двуизмерно пространство без гравитация. Математическо устройство толкова удобно, колкото това не променя вижданията ни за фундаменталната природа на реалността.
Ако холографските принципи са полезни за решаване на проблеми, това не означава, че живеем в холограма. И дори ако наистина живеем в холограма, така или иначе нямаше да можем да кажем разликата.
Мая Музашвили