Вселенная может быть голограммой: доказательства этому скрыты в чёрных дырах

Представьте, что всё, что вы видите, чувствуете и знаете — от чашки кофе на вашем столе до далёких галактик — на самом деле является проекцией. Сложной, детализированной, но всё же иллюзией, развёрнутой в трёх измерениях из плоского, двумерного «кода», записанного на границе нашей Вселенной. Звучит как завязка научно-фантастического романа, но для некоторых ведущих физиков-теоретиков это не фантастика, а рабочая гипотеза.

Идея о том, что наша реальность может быть голограммой, известная как голографический принцип, родилась не на пустом месте. Она стала вынужденным ответом на один из самых глубоких парадоксов современной физики. Но главный вопрос остаётся открытым: является ли эта теория окном в подлинную природу реальности или лишь элегантным математическим инструментом, который помогает нам решать сложные уравнения, но не описывает мир, в котором мы живём?

Первая трещина в фундаменте: загадка чёрных дыр

Всё началось с чёрных дыр — этих космических монстров, чья гравитация настолько сильна, что из них не может вырваться даже свет. Долгое время считалось, что всё, что падает в чёрную дыру, исчезает навсегда. Вместе с объектом пропадает и вся информация о нём: его масса, состав, структура. Но в физике есть фундаментальный закон: информация не может быть уничтожена бесследно. Вы можете сжечь книгу, но теоретически, собрав весь пепел, дым и тепло, вы сможете восстановить её первоначальное содержание.

Стивен Хокинг в 1970-х годах показал, что чёрные дыры не вечны. Они медленно «испаряются», испуская излучение. Проблема в том, что это излучение абсолютно случайно и не несёт никакой информации о том, что когда-то упало внутрь. Получался парадокс: информация заходит в чёрную дыру, а затем, после её испарения, исчезает из Вселенной. Это подрывало сами основы физики.

Революционная подсказка пришла с неожиданной стороны. Физики обнаружили, что информационная ёмкость чёрной дыры (её энтропия) пропорциональна не её трёхмерному объёму, а площади её двумерной поверхности — горизонта событий. Это было абсолютно не похоже ни на один другой объект во Вселенной. Информационная ёмкость вашего компьютера зависит от объёма его накопителей, а не от площади корпуса. А у чёрной дыры всё «записано» на поверхности. Именно этот странный факт и стал отправной точкой для голографического принципа: что, если вся наша трёхмерная Вселенная, подобно чёрной дыре, на самом деле кодируется на какой-то далёкой двумерной границе?

Математический фокус, ставший реальностью?

То, что могло показаться дикой спекуляцией, обрело математическую плоть в 1997 году благодаря работе аргентинского физика Хуана Малдасены. Он открыл так называемое AdS/CFT-соответствие — своего рода «двуязычный словарь» для Вселенной.

Представьте себе гипотетическую пятимерную вселенную, искривлённую особым образом (это и есть пространство анти-де Ситтера, или AdS). Описать в ней гравитацию на квантовом уровне — невероятно сложная задача, над которой физики бьются десятилетиями. Малдасена показал, что эту задачу можно математически преобразовать в совершенно другую, но эквивалентную ей. Эта новая задача разворачивается на четырёхмерной границе этой вселенной и описывается уже не гравитацией, а хорошо изученной квантовой теорией поля (CFT). В ней нет гравитации, но есть сложные взаимодействия квантовых частиц.

Суть фокуса в том, что все процессы, происходящие в сложной пятимерной вселенной с гравитацией, имеют точное соответствие в более простой четырёхмерной вселенной без гравитации. Решив задачу на «плоской» границе, вы автоматически получаете ответ для «объёмной» вселенной.

Именно здесь некоторые физики сделали смелый шаг: а что, если это не просто математический трюк, а описание реального устройства мира? Что, если гравитация и само пространство-время — это не фундаментальные сущности, а эмерджентные, то есть возникающие, явления? Подобно тому, как давление газа возникает из хаотичного движения миллиардов отдельных молекул, возможно, наша трёхмерная реальность с её гравитацией «возникает» из квантовых взаимодействий на далёкой двумерной поверхности.

Остужаем пыл: почему наша Вселенная (пока) не голограмма

Однако здесь энтузиазм теоретиков сталкивается с холодной реальностью. Несмотря на всю элегантность, у голографического принципа есть ряд серьёзных проблем, которые не позволяют нам с уверенностью заявить: «Мы живём в Матрице».

1. Не та Вселенная. Модель Малдасены работает для очень специфической, экзотической вселенной — пятимерной, пустой и с отрицательной кривизной. Наша же Вселенная имеет три пространственных измерения, наполнена материей и энергией и расширяется с ускорением. Соответствие для нашей реальной Вселенной пока не найдено.
2. Где находится «экран»? Ключевой элемент голограммы — это поверхность, на которой она записана. AdS/CFT-соответствие предполагает наличие чёткой границы у вселенной. Но у нашей Вселенной, насколько нам известно, никакой границы нет. Где же тогда находится тот двумерный «диск», с которого проецируется наша реальность? Ответа на этот вопрос нет.
3. Гипотеза остаётся гипотезой. Само AdS/CFT-соответствие, несмотря на множество подтверждающих его расчётов, до сих пор не имеет строгого математического доказательства. Это всё ещё гипотеза, пусть и очень влиятельная.

Заключение: иллюзия реальности или реальность модели?

Так что же такое голографический принцип? Ответ на этот вопрос уводит нас в область философии науки. Возможно, мы никогда не сможем с уверенностью сказать, является ли Вселенная «на самом деле» голограммой. Любая физическая теория — это лишь модель, карта, описывающая территорию реальности.

Вспомним общую теорию относительности Эйнштейна. Она описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Является ли пространство-время «на самом деле» гибкой тканью? Или это просто чрезвычайно удачная математическая модель, позволяющая нам с невероятной точностью предсказывать движение планет и свет звёзд? Мы принимаем эту модель за реальность, потому что она работает.

Возможно, та же судьба ждёт и голографический принцип. Даже если он окажется всего лишь математическим инструментом, это будет инструмент невиданной мощи, позволяющий решать задачи, которые ранее считались нерешаемыми. Но его истинная ценность может быть в другом. Заставляя нас сомневаться в самых базовых понятиях — пространстве, времени, реальности — эта идея расширяет границы нашего воображения и указывает на то, что устройство Вселенной может быть гораздо более странным и удивительным, чем мы когда-либо могли себе представить. И поиск ответов на эти вопросы — это и есть подлинная суть науки.