Может ли Вселенная на самом деле быть голограммой? Разбираются физики

Если вы когда-нибудь видели голограмму, вы помните, какое это чудесное применение оптики и света. Когда напечатанная на двумерной поверхности голограмма правильно улавливает свет, она показывает не стандартное двухмерное изображение, а полностью трехмерное. Ваши глаза могут легко воспринимать третье измерение и его глубину, и когда вы меняете угол обзора, меняется и относительное расстояние от вашего глаза до различных частей закодированного голографического изображения.

Кажется, что за «поверхностью» голограммы существует полностью трехмерный мир, и вы можете видеть его детали так же, как вы могли бы видеть трехмерный мир, отраженный в зеркале.

Это связано с тем, что голограмма — не просто статическое изображение, а «световая карта» трехмерного объекта или обстановки. Создание голограммы само по себе является поучительным примером того, как свет, оптика и физика объединяются, чтобы кодировать набор информации более высокого измерения на поверхности более низкого измерения.

Принцип работы фотографии, в отличие от голограммы, очень прост. Берется свет, излучаемый объектом или отражаемый от него, фокусируется через линзу, записывается на плоскую поверхность — и готово. Так работает не только фотография, но и зрение — хрусталик в глазном яблоке фокусирует свет на сетчатку, где палочки и колбочки в задней части глаза его записывают, а затем отправляют в мозг, где данные обрабатываются в изображение.

Однако если вы решите использовать когерентный свет (например, лазерный) и специальную эмульсию на записывающей поверхности, вы сможете уже не ограничиваться записью светового изображения — вы сможете записать и создать карту всего светового поля. В ней закодированы трехмерное положение каждого объекта на изображении, включая такие характеристики, как вариации плотности, текстуры, прозрачность и относительное расстояние. Все эти свойства точно записаны на поверхности двухмерной голограммы. Когда эта поверхность будет правильно освещена, она отобразит любому наблюдателю полный набор записанной трехмерной информации, причем со всех возможных точек зрения, с которых ее можно увидеть. Напечатав это двумерное световое поле или карту на металлической пленке, вы можете создать обычную голограмму.

Идея, лежащая в основе голограммы, на самом деле повсеместно распространена в физике.

Вы можете исследовать поверхность более низкого измерения и получить не только знания о реальности более высокого измерения (которая в ней закодирована), но и полную информацию о наборе физических свойств этой многомерной реальности.

Ключевым моментом является тот факт, что поверхность низшего измерения служит границей пространства более высокого измерения. Для начала вам нужно понять законы, которые управляют многомерным пространством, измерить достаточное количество свойств, закодированных на поверхности, ограничивающей это пространство. Затем вы сможете делать дальнейшие выводы о точном физическом состоянии этой области.

Этого можно добиться, например, в электромагнетизме, измеряя любое из трех свойств поверхности, окружающей область согласно Дирихле, Нейману или Робину. Нечто подобное можно сделать и в общей теории относительности, лишь с той оговоркой, что вы не имеете дело с замкнутым пространственно-временным многообразием. Во многих областях физики, если вы знаете законы, управляющие границей и областью пространства, простое измерение достаточного количества свойств, закодированных на границе пространства, позволяет вам определить полный набор физических свойств внутренней части.

Этот тип анализа применим даже к черным дырам, хотя они тестировались только в квантовых аналоговых системах. Нам еще предстоит измерить черную дыру достаточно точно, чтобы проверить эту идею, но, согласно теории, всякий раз, когда отдельные кванты попадают в черную дыру, они переносят с собой всю квантовую информацию, которой они ранее обладали.

Когда в результате излучения Хокинга черные дыры распадаются, то выходящее излучение должно обладать спектром черного тела, без памяти о таких вещах, как масса, заряд или барионное число. Это свойство известно как информационный парадокс черной дыры, причем единственные две реалистичные возможности заключаются в том, что либо информация не сохраняется, либо она каким-то образом вырывается из лап черной дыры в процессе излучения.

Вероятно, существует двухмерная поверхность, расположенная либо на горизонте событий, либо внутри него, где сохраняется вся информация, которая вошла в черную дыру и излучалась из нее. Вполне возможно, что голографический принцип, примененный к черным дырам, действительно может решить информационный парадокс черной дыры, сохраняя при этом унитарность.

Теперь мы находимся в том, что нам кажется четырехмерным пространством-временем с тремя пространственными и одним временным измерениями. Но что, если это не отражает полную картину реальности; что, если существуют и другие измерения, которые нам просто недоступны? Что, если Вселенная, которую мы воспринимаем как четырехмерную, на самом деле является границей чего-то с большим количеством измерений? Это дикая идея, но ее корни лежат в, казалось бы, не связанной с ней дисциплине: теории струн.

Теория струн выросла из  струнной модели  для объяснения сильных взаимодействий, поскольку было известно, что внутренности протонов, нейтронов и других барионов (и мезонов) имеют сложную структуру. Она дала целый ряд бессмысленных предсказаний, которые не соответствовали экспериментам. Но люди поняли, что если поднять шкалу энергии еще выше (к шкале Планка), струнная структура сможет объединить известные фундаментальные силы с гравитацией. Так родилась теория струн.

Особенностью (или недостатком, в зависимости от того, как на это посмотреть) этой попытки найти «Святой Грааль» физики является то, что она требует большого количества дополнительных измерений.

Тогда возникает большой вопрос: как нам вывести нашу Вселенную, имеющую всего три пространственных измерения, из теории, которая дает нам множество других? И какая из множества теорий струн является правильной?

Есть вероятность, что множество различных моделей и сценариев теории струн на самом деле представляют собой разные аспекты одной и той же фундаментальной теории, рассматриваемой с разных точек зрения. В математике две системы, эквивалентные друг другу, называют двойственными. Так, одно удивительное открытие, связанное с голограммой, заключается в том, что иногда две системы, двойственные друг другу, имеют разное число измерений.

Причина, по которой физики очень воодушевлены этим, в том, что в 1997 году физик Хуан Малдасена предложил соответствие AdS/CFT, которое утверждало, что наша трехмерная (плюс время) Вселенная с ее квантовыми теориями поля, описывающими элементарные частицы и их взаимодействия, двойственна более высокой размерности (анти-де-ситтеровскому пространству). Это соответствие играет важную роль в квантовых теориях гравитации.

Физики и математики занимались этим соответствием в меру своих возможностей последние 25 лет. Оказалось, что эти исследования были с пользой применены к ряду конденсированных веществ и твердотельных физических систем. Однако что касается приложений ко всей нашей Вселенной и, в частности, к системе, в которой мы должны иметь в общей сложности не менее десяти измерений (как того требует теория струн), мы сталкиваемся со значительным набором проблем, которые решить не так-то просто.

Во-первых, мы абсолютно уверены, что не живем в анти-де-ситтеровском пространстве, потому что мы измерили эффекты темной энергии, и эти эффекты показывают нам, что расширение Вселенной ускоряется способом, который согласуется с космологической постоянной. Пространство-время с положительной космологической постоянной выглядит как де-ситтеровское пространство, а не как анти-де-ситтеровское, которое имело бы отрицательную космологическую постоянную. Из-за ряда проблем в де-ситтеровском — а не в анти-де-ситтеровском — пространстве математически мы не можем построить то же самое соответствие.

С другой стороны, единственная двойственность, которую мы смогли обнаружить, связывает свойства пространства более высоких измерений с его границей более низких измерений. Двумерные голограммы могут кодировать только трехмерную информацию. А четырехмерные конформные теории поля (CFT), которые являются частью соответствия AdS/CFT, применимы только к пятимерным анти-де-ситтеровским пространствам. Вопрос о том, как вообще получить не более пяти измерений — остается нерешенным.

Однако есть еще один аспект AdS/CFT, который многие находят убедительным. Конечно, эти две проблемы реальны: у нас неправильный знак космологической постоянной и неправильное число измерений.

Однако когда два пространства разных измерений математически двойственны друг другу, можно получить больше информации о пространстве более высоких измерений.

Конечно, на границе поверхности нижнего измерения доступно меньше информации, чем внутри объема полного пространства. Это означает, что, когда вы измеряете одну вещь на поверхности границы, вы можете изучить множество данных, которые происходят внутри большего, многомерного объема.

Одна из возможностей, потенциально связанная с Нобелевской премией по физике 2022 года по квантовой запутанности, заключается в том, что что-то, происходящее в пространстве большего измерения, может в конечном итоге связать две несопоставимые и несвязанные области вдоль границы нижнего измерения. Если вас беспокоит мысль о том, что измерение одной запутанной частицы мгновенно дает вам информацию о другой запутанной паре, то голографический принцип может быть вашим спасением, то есть надеждой на физически обоснованный метод.

Тем не менее за последние 25 лет поиски дополнительных измерений не увенчались успехом, и мы также так и не смогли понять, имеют ли они отношение к нашей реальности или к получению каких-либо важных теоретических открытий, которые могут помочь лучше понять нашу собственную Вселенную. Однако двойственность нельзя отрицать: это математический факт. Соответствие AdS/CFT по-прежнему будет математически интересным, но с ним связаны две основные проблемы: оно дает явно неверное значение темной энергии, оно работает только для пяти измерений, а не для десяти (или более), необходимых для теории струн.

Идея о том, что Вселенная представляет собой голограмму, известную как голографическая Вселенная, действительно может когда-нибудь привести нас к квантовой гравитации. Но пока эти загадки не решены, невозможно предугадать, как именно мы к этому придем.