что такое голографическая вселенная
Мы живем в голограмме: самые странные теории о Вселенной, которые могут оказаться правдой
Ученые не первую сотню лет пытаются понять, что такое Вселенная на самом деле. В последнее время развиваются технологии, исследователи больше узнают об окружающем мире и появляются новые теории о том, как все устроено. Одни из них звучат правдоподобно, а другие — безумно. «Хайтек» рассказывает о двух самых странных, но захватывающих, теориях об устройстве Вселенной.
Читайте «Хайтек» в
Почему Вселенная такая, какая она есть? На протяжении многих лет ученые исследовали этот вопрос и выдвинули множество идей, которые объясняют, как устроен космос и что его ждет в будущем. Известно, что Вселенная состоит из скоплений галактик. В каждой галактике — десятки и сотни миллиардов звезд с вращающимися вокруг них планетами, а также газо-пылевые облака огромных размеров. Есть еще гипотетическая темная материя и темная энергия, которая отвечает за расширение Вселенной. Однако некоторые ученые считают, что все устроено гораздо сложнее.
Голографическая Вселенная
Так появилась идея голографической черной дыры, которая хранит информацию о падающих в нее трехмерных объектах на двухмерный горизонт событий. Потом ученые пошли дальше — они предположили, что вообще любая информация в любом объеме может быть записана на поверхности, ограничивающей этот объем. Если мы говорим об информации из черного ящика, то она записана на стенках черного ящика, если информация о Солнечной системе, то записать ее можно на воображаемой сфере вокруг нее, а данные обо всем, что происходит во Вселенной, записано на ее границе.
Для этого не нужны какие-то определенные границы, ведь это теоретический принцип. Если подытожить, то он гласит, что, вся информация и процессы, которые происходят на участке пространства равна какой-то записи на границе этого объема. Теория голографической Вселенной предполагает, что все, что человек видит, слышит. ощущает и наблюдает, может быть как реальностью, так и «голографической» 3D-проекцией 2D-записей на «стене, которая окружает Вселенную». Здесь очень важны кавычки — голография не похожа на ту, к которой мы привыкли, это лишь схожий принцип. И, конечно, мир не окружен настоящей стеной, она воображаемая, как экватор на глобусе.
Несмотря на то, что эта идея звучит безумно, это научно проверяемая теория. Ученые, которые провели исследование в 2017 году. Международная группа космологов из Канады, Великобритании и Италии получила данные, свидетельствующие в пользу теории голографической Вселенной. Космологи использовали двумерную модель Вселенной, которая на основе наблюдаемых ранее параметров, смогла в точности воспроизвести картину микроволнового фона — теплового излучения, равномерно заполняющего космическое пространство. Полученные результаты свидетельствуют в пользу применимости голографического принципа, хотя пока и не опровергают стандартные космологические модели.
Вселенная — это сверхтекучая жидкость
Даже если пространство имеет только три измерения, все еще существует четвертое измерение в форме времени. Именно поэтому теоретически можно визуализировать Вселенную, которая существует в четырехмерном пространстве-времени. В 1905 году Эйнштейн в своей теории относительности первым предположил, что пространство и время могут быть связаны между собой. При этом сам термин «пространство-время» придумали лишь три года спустя, его автор — математик Герман Минковский. «Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность» — заявил он на коллоквиуме в 1908 году.
Согласно некоторым теориям, например, предложенной итальянскими физиками Стефано Либерати и Лукой Макчионе, пространство-время — это не просто абстрактная система отсчета, содержащая физические объекты, такие как звезды и галактики. Итальянские ученые считают, что это физическая субстанция сама по себе, аналогичная океану, полному воды. Подобно тому, как вода состоит из бесчисленных молекул, согласно теории, пространство-время — состоит из микроскопических частиц на более глубоком уровне реальности.
Вообще, сама идея о том, что пространство-время ведет себя как жидкость, самая новая — теорию «сверхтекучего вакуума» предложили больше полвека назад. Но итальянские исследователи стали первыми, кто задались вопросом о вязкости такой жидкости. То, как все движется во Вселенной — одна из загадок в физике. Например волна распространяется через воду, используя ее как «среду» для перемещения. Передача энергии требует среды, но как электромагнитные волны и, например, фотоны, движутся в пространстве, где вроде нет ничего?
Либерати и Макчионе предложили решение проблемы — они разработали теорию сверхтекучего космоса. Согласно ей, Вселенная состоит из сверхтекучей жидкости с нулевой вязкостью, которая ведет себя как единое целое. Сверхтекучей можно назвать жидкость, которая может течь бесконечно, при этом не теряя энергию. Это не выдуманная концепция, такие жидкости существуют на самом деле. Сверхтекучесть — фаза вещества, в которое переходят жидкости или газы, когда остывают до температур вблизи абсолютного нуля. В этом состоянии атомы теряют индивидуальные свойства, и ведут себя, как единый супер-атом. Самая известная сверхтекучая жидкость — это гелий, но лишь охлажденный до 2 K (Кельвинов) или –271,15 ℃.
У сверхтекучих жидкостей есть несколько уникальных свойств. Они могут, например, подняться по стенкам незакрытого сосуда и «сбежать» из него. При этом, их просто невозможно нагреть — они отлично передают тепло. Жидкость со сверхтекучими свойствами просто испарится при нагреве.
Теория визуализирует пространство-время как сверхтекучую жидкость с нулевой вязкостью. Странным свойством таких жидкостей является то, что их нельзя заставить вращаться «оптом», как «работает» обычная жидкость при перемешивании. Они распадаются на крошечные вихри. В 2014 году ученые выяснили, что эти квантовые «торнадо» в ранней Вселенной объясняют возникновение галактик.
Будущее Вселенной
Над созданием таких глобальных и странных теорий работает много ученых — физики, математики, астрономы. Все эти дисциплины объединяет космология. Как науке, космологии всего сто лет, но она уже очень многое знает о том, как устроена наша Вселенная — как образовалось все, что нас окружает, от атомов до галактик, с чего все началось и чем закончится. Разные теории объясняют мир по-своему. Возможно, однажды ученые придут к единому ответу.
В пещере есть два узника. По Платону, пещера — это чувственный мир, в котором живут люди. Как и узники пещеры, они полагают, будто благодаря органам чувств могут понять истинную реальность. Но такая жизнь — всего лишь иллюзия. Об истинном мире идей они могут судить только по смутным теням на стене пещеры. Философ может получить более полное представление о мире идей, постоянно ставя вопросы и находя ответы.
Теория струн полагает, что дополнительные искривленные и закрученные измерения пространства проявляются похожим образом. Формы этих дополнительных измерений сложны и разнообразны, и каждое заставляет вибрировать струну, находящуюся внутри таких измерений, по-разному именно благодаря своим формам.
Горизонт событий — граница в астрофизике, за которой события не могут повлиять на наблюдателя. Внутри горизонта событий все пути ведут частицы в центр черной дыры. Не существует способа для частиц выйти оттуда.
Что такое голографическая Вселенная? Черные дыры, теория струн и дуальное описание природы
Недавно физики представили расчеты, согласно которым пространства с плоской метрикой (а это в том числе и наша Вселенная) могут быть голограммами. В своей работе авторы использовали идею AdS/CFT-соответствия (anti-de Sitter / conformal field theory correspondence) между конформной теорией поля и гравитацией. На частном примере такого соответствия ученые показали эквивалентность описания этих двух теорий. Так что же такое голографическая Вселенная и при чем тут черные дыры, дуальность и теория струн?
В основе этой работы лежит так называемый голографический принцип, утверждающий, что для математического описания какого-либо мира достаточно информации, которая содержится на его внешней границе: представление об объекте большей размерности в этом случае можно получить из «голограмм», имеющих меньшую размерность. Предложенный в 1993 году нидерландским физиком Герардом’т Хоофтом принцип применительно к теории струн (называемой также M-теорией или современной математической физикой) воплотился в идее AdS/CFT-соответствия, на которое в 1998 году указал американский физик-теоретик аргентинского происхождения Хуан Малдасена.
В этом соответствии описание гравитации в пятимерном пространстве анти-де Ситтера — пространстве отрицательной кривизны (то есть с геометрией Лобачевского) — при помощи теории суперструн оказывается эквивалентным некоторому пределу четырехмерной суперсимметричной теории Янга-Миллса, определенной на четырехмерной границе пятимерия. В несуперсимметричном случае четырехмерная теория Янга Миллса составляет основу Стандартной модели — теории наблюдаемых взаимодействий элементарных частиц. Теория же суперструн, базирующаяся на предположении существования на планковских масштабах гипотетических одномерных объектов — струн — описывает пятимерие. Приставка «супер» при этом означает наличие симметрии, в которой у каждой элементарной частицы имеется свой суперпартнер с противоположной квантовой статистикой.
Эквивалентность описания означает, что между наблюдаемыми теориями существует однозначная связь — дуальность. Математически это проявляется в наличии соотношения, позволяющего рассчитать параметры взаимодействий частиц (или струн) одной из теорий, если известны таковые для другой. При этом никакого другого способа это сделать для первой теории нет. Идею дуальности и голографический принцип иллюстрируют два примера, демонстрирующие удобство таких аналогий при описании явлений в масштабах от элементарных частиц до вселенной. Вероятно, такое удобство имеет фундаментальные основания и является одним из свойств природы.
Первый пример — дуальность описания черных дыр и конфайнмента кварков («невылетания» кварков — элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях — адронов). Опыты по рассеиванию на адронах других таких частиц показали, что они состоят из двух (мезоны) или трех (барионы — таких, как например, протоны и нейтроны) кварков, которые не могут находиться, в отличие от других элементарных частиц, в свободном состоянии.
Работа физиков из Индии, Австрии и Японии основана на вычислении энтропии Реньи для соответствия между двумерной конформной теорией поля (описывающей элементарные частицы) и гравитацией в трехмерном пространстве анти-де Ситтера. Ученые на примере квантовой запутанности (которая проявляется тогда, когда свойства объектов, первоначально связанных между собой, оказываются скоррелированными даже при их разнесении на расстояние между собой) показали, что энтропия принимает одинаковые значения в плоской квантовой гравитации и в двумерной теории поля.
Такая ненаблюдаемость кварка видна в компьютерных расчетах, однако теоретического обоснования пока не имеет. Математическая формулировка этой задачи известна как проблема «массовой щели» в калибровочных теориях, и это одна из семи задач тысячелетия, сформулированных институтом Клэя. К настоящему моменту только одну из сформулированных задач (гипотезу Анри Пуанкаре) удалось решить — это сделал более десяти лет назад российский математик Григорий Перельман.
При удалении друг от друга взаимодействие между кварками только усиливается, тогда как при приближении их друг к другу — слабеет. Это свойство, названное асимптотической свободой, предсказали американские физики-теоретики и лауреаты Нобелевской премии Фрэнк Вильчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер. Теория струн предлагает эффектное описание этого явления с использованием аналогии между «невылетанием» частиц из-под горизонта событий черной дыры и удержанием кварков в адронах. Однако такое описание приводит к ненаблюдаемым эффектам и поэтому применяется лишь в качестве наглядного примера.
Материалы по теме
Заткнись и считай
Другой пример — соотношение, согласно которому энтропия черной дыры пропорциональна квадрату площади ее горизонта событий — области пространства, откуда попавшее в черную дыру тело (исключая квантовые эффекты и возможное существование червоточин) выбраться никогда не сможет. Израильский физик Яков Бекенштейн показал это в 1972 году, исходя из физических соображений, а его выводы два года спустя уточнил англичанин Стивен Хокинг. Получается, что, зная информацию только о границе черной дыры (площадь горизонта событий), можно определить ее внутреннюю характеристику — энтропию, являющуюся мерой неупорядоченности внутреннего состояния системы.
Дуальности и голографический принцип, реализованные как AdS/CFT-соответствие, пока не нашли точного математического обоснования, а большинство моделей, с которыми работают физики-теоретики, относятся к специфическим пространствам и взаимодействиям. Однако остается надежда, что с течением времени гравитация и Стандартная модель физики частиц получат универсальное описание в реальных пространствах, и, скорее всего, это произойдет именно в теории струн.
Что такое голографическая Вселенная
Недавно физики представили расчеты, согласно которым пространства с плоской метрикой (а это в том числе и наша Вселенная) могут быть голограммами. В своей работе авторы использовали идею AdS/CFT-соответствия (anti-de Sitter / conformal field theory correspondence) между конформной теорией поля и гравитацией. На частном примере такого соответствия ученые показали эквивалентность описания этих двух теорий. Так что же такое голографическая Вселенная и при чем тут черные дыры, дуальность и теория струн?
В основе этой работы лежит так называемый голографический принцип, утверждающий, что для математического описания какого-либо мира достаточно информации, которая содержится на его внешней границе: представление об объекте большей размерности в этом случае можно получить из «голограмм», имеющих меньшую размерность. Предложенный в 1993 году нидерландским физиком Герардом’т Хоофтом принцип применительно к теории струн (называемой также M-теорией или современной математической физикой) воплотился в идее AdS/CFT-соответствия, на которое в 1998 году указал американский физик-теоретик аргентинского происхождения Хуан Малдасена.
В этом соответствии описание гравитации в пятимерном пространстве анти-де Ситтера — пространстве отрицательной кривизны (то есть с геометрией Лобачевского) — при помощи теории суперструн оказывается эквивалентным некоторому пределу четырехмерной суперсимметричной теории Янга-Миллса, определенной на четырехмерной границе пятимерия. В несуперсимметричном случае четырехмерная теория Янга Миллса составляет основу Стандартной модели — теории наблюдаемых взаимодействий элементарных частиц. Теория же суперструн, базирующаяся на предположении существования на планковских масштабах гипотетических одномерных объектов — струн — описывает пятимерие. Приставка «супер» при этом означает наличие симметрии, в которой у каждой элементарной частицы имеется свой суперпартнер с противоположной квантовой статистикой.
Эквивалентность описания означает, что между наблюдаемыми теориями существует однозначная связь — дуальность. Математически это проявляется в наличии соотношения, позволяющего рассчитать параметры взаимодействий частиц (или струн) одной из теорий, если известны таковые для другой. При этом никакого другого способа это сделать для первой теории нет. Идею дуальности и голографический принцип иллюстрируют два примера, демонстрирующие удобство таких аналогий при описания явлений в масштабах от элементарных частиц до вселенной. Вероятно, такое удобство имеет фундаментальные основания и является одним из свойств природы.
Согласно голографическому принципу, две вселенные различных размерностей могут иметь эквивалентное описание. Физики показали это на примере AdS/CFT между пятимерным пространством анти де-Ситтера и его четырехмерной границей. В результате оказалось, что пятимерное пространство описывается как четырехмерная голограмма на своей границе. Черная дыра в таком подходе, существуя в пятимерии, в четырехмерии проявляет себя в виде излучения.
Первый пример — дуальность описания черных дыр и конфайнмента кварков («не вылетания» кварков — элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях — адронов). Опыты по рассеиванию на адронах других таких частиц показали, что они состоят из двух (мезоны) или трех (барионы — таких, как например, протоны и нейтроны) кварков, которые не могут находиться, в отличие от других элементарных частиц, в свободном состоянии.
Работа физиков из Индии, Австрии и Японии основана на вычислении энтропии Реньи для соответствия между двумерной конформной теорией поля (описывающей элементарные частицы) и гравитацией в трехмерном пространстве анти-де Ситтера. Ученые на примере квантовой запутанности (которая проявляется тогда, когда свойства объектов, первоначально связанных между собой, оказываются скоррелированными даже при их разнесении на расстояние между собой) показали, что энтропия принимает одинаковые значения в плоской квантовой гравитации и в двумерной теории поля.
Такая не наблюдаемость кварка видна в компьютерных расчетах, однако теоретического обоснования пока не имеет. Математическая формулировка этой задачи известна как проблема «массовой щели» в калибровочных теориях, и это одна из семи задач тысячелетия, сформулированных институтом Клэя. К настоящему моменту только одну из сформулированных задач (гипотезу Анри Пуанкаре) удалось решить — это сделал более десяти лет назад российский математик Григорий Перельман.
При удалении друг от друга взаимодействие между кварками только усиливается, тогда как при приближении их друг к другу — слабеет. Это свойство, названное асимптотической свободой, предсказали американские физики-теоретики и лауреаты Нобелевской премии Фрэнк Вильчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер. Теория струн предлагает эффектное описание этого явления с использованием аналогии между «не вылетанием» частиц из-под горизонта событий черной дыры и удержанием кварков в адронах. Однако такое описание приводит к не наблюдаемым эффектам и поэтому применяется лишь в качестве наглядного примера.
Мы живем в голограмме: самые странные теории о Вселенной, которые могут оказаться правдой
Ученые не первую сотню лет пытаются понять, что такое Вселенная на самом деле. В последнее время развиваются технологии, исследователи больше узнают об окружающем мире и появляются новые теории о том, как все устроено. Одни из них звучат правдоподобно, а другие — безумно. «Хайтек» рассказывает о двух самых странных, но захватывающих, теориях об устройстве Вселенной.
Читайте «Хайтек» в
Почему Вселенная такая, какая она есть? На протяжении многих лет ученые исследовали этот вопрос и выдвинули множество идей, которые объясняют, как устроен космос и что его ждет в будущем. Известно, что Вселенная состоит из скоплений галактик. В каждой галактике — десятки и сотни миллиардов звезд с вращающимися вокруг них планетами, а также газо-пылевые облака огромных размеров. Есть еще гипотетическая темная материя и темная энергия, которая отвечает за расширение Вселенной. Однако некоторые ученые считают, что все устроено гораздо сложнее.
Голографическая Вселенная
Так появилась идея голографической черной дыры, которая хранит информацию о падающих в нее трехмерных объектах на двухмерный горизонт событий. Потом ученые пошли дальше — они предположили, что вообще любая информация в любом объеме может быть записана на поверхности, ограничивающей этот объем. Если мы говорим об информации из черного ящика, то она записана на стенках черного ящика, если информация о Солнечной системе, то записать ее можно на воображаемой сфере вокруг нее, а данные обо всем, что происходит во Вселенной, записано на ее границе.
Для этого не нужны какие-то определенные границы, ведь это теоретический принцип. Если подытожить, то он гласит, что, вся информация и процессы, которые происходят на участке пространства равна какой-то записи на границе этого объема. Теория голографической Вселенной предполагает, что все, что человек видит, слышит. ощущает и наблюдает, может быть как реальностью, так и «голографической» 3D-проекцией 2D-записей на «стене, которая окружает Вселенную». Здесь очень важны кавычки — голография не похожа на ту, к которой мы привыкли, это лишь схожий принцип. И, конечно, мир не окружен настоящей стеной, она воображаемая, как экватор на глобусе.
Несмотря на то, что эта идея звучит безумно, это научно проверяемая теория. Ученые, которые провели исследование в 2017 году. Международная группа космологов из Канады, Великобритании и Италии получила данные, свидетельствующие в пользу теории голографической Вселенной. Космологи использовали двумерную модель Вселенной, которая на основе наблюдаемых ранее параметров, смогла в точности воспроизвести картину микроволнового фона — теплового излучения, равномерно заполняющего космическое пространство. Полученные результаты свидетельствуют в пользу применимости голографического принципа, хотя пока и не опровергают стандартные космологические модели.
Вселенная — это сверхтекучая жидкость
Даже если пространство имеет только три измерения, все еще существует четвертое измерение в форме времени. Именно поэтому теоретически можно визуализировать Вселенную, которая существует в четырехмерном пространстве-времени. В 1905 году Эйнштейн в своей теории относительности первым предположил, что пространство и время могут быть связаны между собой. При этом сам термин «пространство-время» придумали лишь три года спустя, его автор — математик Герман Минковский. «Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность» — заявил он на коллоквиуме в 1908 году.
Согласно некоторым теориям, например, предложенной итальянскими физиками Стефано Либерати и Лукой Макчионе, пространство-время — это не просто абстрактная система отсчета, содержащая физические объекты, такие как звезды и галактики. Итальянские ученые считают, что это физическая субстанция сама по себе, аналогичная океану, полному воды. Подобно тому, как вода состоит из бесчисленных молекул, согласно теории, пространство-время — состоит из микроскопических частиц на более глубоком уровне реальности.
Вообще, сама идея о том, что пространство-время ведет себя как жидкость, самая новая — теорию «сверхтекучего вакуума» предложили больше полвека назад. Но итальянские исследователи стали первыми, кто задались вопросом о вязкости такой жидкости. То, как все движется во Вселенной — одна из загадок в физике. Например волна распространяется через воду, используя ее как «среду» для перемещения. Передача энергии требует среды, но как электромагнитные волны и, например, фотоны, движутся в пространстве, где вроде нет ничего?
Либерати и Макчионе предложили решение проблемы — они разработали теорию сверхтекучего космоса. Согласно ей, Вселенная состоит из сверхтекучей жидкости с нулевой вязкостью, которая ведет себя как единое целое. Сверхтекучей можно назвать жидкость, которая может течь бесконечно, при этом не теряя энергию. Это не выдуманная концепция, такие жидкости существуют на самом деле. Сверхтекучесть — фаза вещества, в которое переходят жидкости или газы, когда остывают до температур вблизи абсолютного нуля. В этом состоянии атомы теряют индивидуальные свойства, и ведут себя, как единый супер-атом. Самая известная сверхтекучая жидкость — это гелий, но лишь охлажденный до 2 K (Кельвинов) или –271,15 ℃.
У сверхтекучих жидкостей есть несколько уникальных свойств. Они могут, например, подняться по стенкам незакрытого сосуда и «сбежать» из него. При этом, их просто невозможно нагреть — они отлично передают тепло. Жидкость со сверхтекучими свойствами просто испарится при нагреве.
Теория визуализирует пространство-время как сверхтекучую жидкость с нулевой вязкостью. Странным свойством таких жидкостей является то, что их нельзя заставить вращаться «оптом», как «работает» обычная жидкость при перемешивании. Они распадаются на крошечные вихри. В 2014 году ученые выяснили, что эти квантовые «торнадо» в ранней Вселенной объясняют возникновение галактик.
Будущее Вселенной
Над созданием таких глобальных и странных теорий работает много ученых — физики, математики, астрономы. Все эти дисциплины объединяет космология. Как науке, космологии всего сто лет, но она уже очень многое знает о том, как устроена наша Вселенная — как образовалось все, что нас окружает, от атомов до галактик, с чего все началось и чем закончится. Разные теории объясняют мир по-своему. Возможно, однажды ученые придут к единому ответу.
В пещере есть два узника. По Платону, пещера — это чувственный мир, в котором живут люди. Как и узники пещеры, они полагают, будто благодаря органам чувств могут понять истинную реальность. Но такая жизнь — всего лишь иллюзия. Об истинном мире идей они могут судить только по смутным теням на стене пещеры. Философ может получить более полное представление о мире идей, постоянно ставя вопросы и находя ответы.
Теория струн полагает, что дополнительные искривленные и закрученные измерения пространства проявляются похожим образом. Формы этих дополнительных измерений сложны и разнообразны, и каждое заставляет вибрировать струну, находящуюся внутри таких измерений, по-разному именно благодаря своим формам.
Горизонт событий — граница в астрофизике, за которой события не могут повлиять на наблюдателя. Внутри горизонта событий все пути ведут частицы в центр черной дыры. Не существует способа для частиц выйти оттуда.