Вселенная – голограмма? Физики нашли способ проверить
Сто лет назад Эрвин Шрёдингер, имя которого неизбежно вызывает в памяти знаменитого кота, находящегося одновременно в двух состояниях, заложил один из краеугольных камней современной физики. Его уравнение, описывающее поведение квантовых частиц, стало фундаментом для понимания микромира. Но вот парадокс: этот удивительно точный инструмент для субатомных масштабов никак не хочет «дружить» с другим гигантом научной мысли — общей теорией относительности Эйнштейна, которая великолепно описывает гравитацию и космос в целом. И это, пожалуй, одна из самых больших головных болей теоретической физики последних десятилетий. Почему же так?
Два титана, одна арена: почему они не могут договориться?
Давайте разберемся. Квантовая механика, как поясняет Абхай Катьял из Университета штата Юта, это язык, на котором говорит Вселенная на уровне элементарных частиц. Она описывает вероятностную природу событий, квантовые скачки и странные взаимодействия, которые нашему повседневному опыту кажутся абсурдными. А общая теория относительности? Это поэма о гравитации, представленной не как сила, а как искривление самого пространства-времени под действием массы и энергии. Она рисует величественные картины черных дыр, расширяющейся Вселенной и гравитационных волн.
Каждая из этих теорий — настоящий триумф человеческого гения в своей области. Но как только мы пытаемся применить их одновременно, например, для описания того, что происходит внутри черной дыры или в самые первые мгновения после Большого Взрыва, — начинается хаос. Математический аппарат одной рушится там, где властвует другая. Они словно говорят на разных языках, описывая один и тот же мир. Это все равно что пытаться собрать пазл из двух разных наборов — красиво, но не сходится.
В поисках «Теории Всего»… ну, почти
Ученые не были бы учеными, если бы смирились с таким положением дел. Мечта о единой теории, которая бы элегантно объединила квантовый мир с гравитацией, получила название «квантовая гравитация». По словам Оскара Варелы, коллеги и наставника Катьяла, несмотря на десятилетия поисков, «мы по сей день не знаем, что она собой представляет». Это своего рода Святой Грааль современной физики. Найти ее — значит получить ключ к пониманию самых фундаментальных законов природы.
Существует несколько кандидатов на роль теории квантовой гравитации, например, теория струн или петлевая квантовая гравитация. Но все они сталкиваются с одной огромной проблемой: как их проверить?
Эксперимент в уме: когда лаборатория — это математика
Дело в том, что эффекты квантовой гравитации, как ожидается, проявляются при совершенно запредельных энергиях или на невообразимо малых расстояниях. Таких, которые на много порядков превосходят возможности наших самых мощных коллайдеров, или масштабы, рядом с которыми атом покажется галактикой. «У нас нет технологий, чтобы предсказывать эффекты, возникающие при чрезвычайно высоких энергиях или чрезвычайно малых масштабах», — разводит руками Варела.
И что же делать теоретикам? Они поступают хитро. Если нельзя построить реальный эксперимент, нужно создать его в уме, точнее — на кончике пера (или, в наши дни, на экране компьютера). «Для физиков-теоретиков, таких как мы, точная математическая модель сродни аппаратуре физика-экспериментатора», — объясняет Варела. Иными словами, они ищут такие математические свойства или принципы, которыми должна обладать любая верная теория квантовой гравитации, а затем проверяют, согласуются ли с этими принципами существующие гипотезы.
Вселенная на ладони? Голографический принцип наносит ответный удар
И вот здесь на сцену выходит голографический принцип. Звучит интригующе, не правда ли? Впервые он был предложен Герардом т Хоофтом и развит Леонардом Сасскиндом, и его суть, если упрощать, довольно революционна. Представьте, что вся информация о некоем трехмерном объеме пространства (скажем, о комнате, в которой вы находитесь) может быть полностью описана на его двумерной границе (стенах, поле и потолке). Подобно тому, как двумерная голографическая пластина способна воссоздать трехмерное изображение.
Этот принцип возник из изучения термодинамики черных дыр и предполагает, что максимальное количество информации, которое может содержаться в области пространства, пропорционально площади ее границы, а не объему. Это совершенно контринтуитивно! Мы привыкли думать, что чем больше объем, тем больше информации он может вместить. А тут — бац! — оказывается, все может быть записано на «поверхности».
Почему это так важно для квантовой гравитации? Потому что, по мнению многих физиков, включая команду из Университета штата Юта, голографический принцип — это «ключевое свойство любой состоятельной теории квантовой гравитации». Если ваша теория-кандидат ему не удовлетворяет, скорее всего, с ней что-то не так.
Новый взгляд на старую идею: что сделали ученые?
Команда в составе Абхая Катьяла, Оскара Варелы и Ритабраты Бхаттачарьи как раз и сосредоточилась на этом интригующем принципе. Их работа, опубликованная в престижном Physical Review Letters, описывает новый способ проверки голографического принципа. Они не создали теорию квантовой гравитации, нет. Но они разработали математический инструмент, модель, которая позволяет глубже понять, как этот принцип работает и каким критериям должна соответствовать будущая теория.
«Голографический принцип — это наша модель для построения предсказаний о квантовой гравитации», — подчеркивает Варела. Их исследование — это еще один, пусть и небольшой, шажок в невероятно сложном и долгом пути. Это как если бы альпинисты, штурмующие Эверест, нашли новую, более надежную точку для закрепления страховочного троса. Сама вершина еще далеко, но путь к ней стал чуточку яснее и безопаснее.
Заглядывая за горизонт
Конечно, до полного понимания того, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне, нам еще очень далеко. Исследования, подобные тому, что провели физики из Юты, не сулят немедленных технологических прорывов или ответов на все вопросы. Но они питают вечное стремление человека понять устройство мира, в котором мы живем. Каждый такой шаг, каждое новое математическое озарение, приближает нас к разгадке одной из величайших тайн природы. И кто знает, возможно, идея о том, что наша трехмерная реальность — это всего лишь проекция информации с какой-то далекой двумерной «границы», окажется не такой уж и фантастической. А пока ученые продолжают соединять миры — мир крошечных квантов и мир гигантских галактик — в надежде однажды увидеть единую, стройную и прекрасную картину Мироздания.
