Что такое голографический принцип? [Fraser Cain]
Вот сайт с шаурмой.
Works. Одна из самых головоломных идей в мире – это несомненно вопрос об истинной природе реальности. Вот я смотрю вокруг своими несовершенными глазами и вижу деревья, дома, ко мне камеру. Но я знаю, что на самом деле они не такие, какими кажутся. Цвет в действительности не что иное, как фотоны, электромагнитное излучение, исходящее или отраженное от объекта. Вся эта великолепная зелень, только посмотрите, какая красота, лишь кажется мне зеленой. Это просто фотоны с длиной волны 495 до 570 нанометров попадают на фоторецепторы в глазных яблоках, их вроде так по-умному называют. Мозг принимает от них сигналы, создает образ окружающего мира.
Мне кажется, что я стою на земле только потому, что так мой мозг интерпретирует поступающие по нервам сигналы. Раз мы не можем доверять своим чувствам, то откуда нам знать, живем ли в реальности или в симуляции? Очень сложно определить природу того, что мы считаем нашей действительностью. Вопрос представляет огромный интерес, и множество ученых с большим энтузиазмом берутся за его решение. Возможно, вы слышали про голографический принцип, предложенный Герардом Мадхава в 90-е годы.
Согласно этому принципу, знаете, я боюсь даже подступиться к этому вопросу, поэтому позвал специалиста, доктора Пола Мэтта Сатару, астрофизика. Он сотрудник университета Огайо, в котором изучает самое большое ничто во вселенной – космические войны. Он также ведет подкаст "Ask a Spaceman".
— Привет! Привет, рад снова тебя видеть.
— Я тоже рад тебя видеть по ту сторону экрана. Фрейзер, мы припасли для тебя кое-что.
Голографический принцип – все готовы к интеллектуальным страданиям?
— Вообще-то, нет. Нет, но попробуем как-нибудь пережить. Прежде чем окунуться в тему, давай сначала объясним, что вообще такое голограмма.
— Хороший вопрос. Если очень просто, то голограмма – это идея из математики, когда мы кодируем информацию из больших размерностей, скажем, из трех измерений, структуру с меньшей размерностью. Часто они так и называются трёхмерные голограммы. В них информация о трехмерных объектах, структурах и их свойствах хранится в двумерном виде. То есть мы держим данные о трехмерном объекте в двух измерениях, и при желании этот объект можно воссоздать.
— Понятно. Ну, давай обобщим главную мысль для зрителей. Мы записываем информацию о большей размерности на меньшую и без каких-либо существенных потерь. Но как это связано с голографической теорией вселенной?
— Вообще начать стоит с того, что это не со всей вселенной, а с черных дыр. В конце прошлого века мы узнали, что если добавить в черную дыру один бит информации, черная дыра станет больше, ведь бит несет в себе энергию, а черная дыра растет, когда ее поглощают. Но что важно, мы точно знаем, что 1 бит увеличивает площадь ее поверхности на конкретную величину, а именно на квадрат планковской единицы. Добавляется маленький квадратик со стороной, равной планковской единице.
Любопытно, что, когда речь идет о черных дырах, количество информации в ней пропорционально не объему, а площади поверхности. Есть предположение, что информация, попавшая в черную дыру, то есть информационное представление попавших на нее объектов, находится не внутри, а как бы размазано по поверхности горизонта событий. А поскольку горизонт событий – это двумерная граница, получается, что информация об упавших в дыру трехмерных объектах кодируется в двумерном виде.
И так перенести этот принцип на всю вселенную не такая уж дикая идея, как может показаться. Есть предположение, скорее даже любопытная мысль. Я подчеркиваю, это абсолютные догадки из области теоретической физики, до мысли вслух, вероятно, их проверить невозможно. В принципе невозможно. Но обо всем по порядку.
Итак, а что если всю информацию в нашем трёхмерном мире, или четырехмерном, если добавить время, можно размазать по космологическом горизонту? То есть по границе видимой вселенной. Тогда эта двумерная поверхность будет содержать запись всего содержимого вселенной, и все содержимое вселенной можно при желании воссоздать.
Но если почитать об этой идеи в журналах и газетах, печатных и онлайн, на любительских форумах, кажется, что она о том, что мы все живем в голограмме.
— Она вообще об этом?
— Нет, конечно. Но тут сложно кого-то обвинять, потому что если вы почитаете оригинальную работу Герарда, я сейчас не вспомню название, что-то вроде "Жизнь в голограмме". В общем, физики сами дают теориям такие яркие метафорические названия, хотя по сути это просто удобный математический инструмент.
Физике есть очень сложные вопросы природы гравитации, например, и находить на них ответы в трёх измерениях крайне сложно. Но, может быть, такие вопросы легче решаются на двумерной поверхности, чем в трехмерном пространстве.
— Нет, речь не о том, что вселенная двумерна, а мы живем в ее трехмерном представлении. Просто с помощью голографического инструмента можно упростить математические операции, которые помогли бы нам сделать выводы о физических явлениях.
— Ладно, но почему вообще существует такая теория? Что именно физики пытаются объяснить при помощи голографического принципа?
— Они пытаются объяснить гравитацию. Мы не понимаем, что такое квантовая гравитация, у нас нет для нее квантовой теории. Решить эту задачу в трёх измерениях никак не получается. Все наши гипотезы разваливаются, расчеты уходят в бесконечность. То есть получается, что если в уравнении квантовой механики добавить еще и гравитацию, все улетает в бесконечность и теряет всякий смысл. Они несовместимы.
— Да, там полное безумие. Но оказалось, что если сделать эту самую двумерную версию трехмерной вселенной, о которой я говорил, то в результате подобной операции математического преобразования гравитация попросту исчезает. Словно ее нет.
— Круто, да?
— Да, это отлично, потому что тогда нам не о чем беспокоиться! Наша трехмерная вселенная с гравитацией может быть эквивалентна двумерной вселенной без гравитации. Так что вся надежда, опять же, это авангард теоретической физики. И я сейчас говорю очень обобщенно, потому что до сих пор ничего точно неизвестно.
Так вот, возможно, вместо того чтобы копать в сторону квантовой гравитации, нужно преобразовать вселенную в двумерный вид, провести расчеты, чтобы они были нормируемыми и не приводили к бесконечности, после чего преобразовать все обратно, и тогда уже говорить об устройстве вселенной.
Теперь мне стало намного понятнее. Я вспоминаю, как в старших классах и в университете мы преобразовывали уравнения, если они казались сложными, по сути переформулировали их так, чтобы проблемных мест не было, решали в такой форме и затем возвращали в изначальный вид, чтобы получить более ясную картину.
— Если физики узнают что-то новое о вселенной в двухмерном виде, это даст нам подсказку о природе гравитации и о том, возможно ли согласовать ее с квантовой механикой.
— Да, именно так. Но здесь есть слабые места. Во-первых, это преобразование трехмерной вселенной в двумерную плоскость может не сработать на нашей вселенной и оказаться просто математической секцией. Также у нас нет надежных математических моделей, чтобы описывать происходящее на той двумерной поверхности. И, наконец, вполне вероятно, что при переносе каких-то выводов назад в нашу трёхмерную вселенную что-то пойдет не так. То есть целых три этапа, которые могут нас подвести.
Сейчас мы поговорим о том, почему голографический принцип стал так популярен. Но сперва я хочу поблагодарить Стива Улова, Дуга Атома, Катера Джеффа и Фореста его Томлина и остальных патронов за их щедрую поддержку. Если хотите присоединиться к сообществу, приходите на наш Patreon и never stop.
И так, периодически в новостях говорят, что якобы у голографической теории появились новые доказательства.
— Расскажи об этом.
— Да, как я и говорил, сам перенос трехмерной вселенной в двумерное пространство, где нет гравитации, и затем обратно в попытке объяснить устройство вселенной, процесс очень зыбкий. Но теоретики не стоят на месте и уже кое-что узнали о том, как могла развиваться ранняя вселенная. Мы не знаем, что происходило в первую секунду после большого взрыва, но мы можем изучать оставшееся после него реликтовое излучение, которое проявилось спустя 300000 лет. Мы можем предполагать, что происходило в ранней вселенной и к чему это привело через триста тысяч лет, когда реликтовое излучение, так сказать, сформировалась. И вот у нас уже есть гипотезы, все еще очень приблизительные. Некоторые отпали из-за результатов наблюдений, но осталось несколько направлений, которые нельзя назвать подтвержденными, но они допустимы, учитывая несовершенство наших наблюдений. И, кстати, во многом они не лучше и не хуже существующих моделей, которые не требуют всех этих проекций между размерностями.
— Хорошо, то есть учитывая, что когда занимаешься наукой, все время пытаешься опровергнуть собственное предположение, ищешь противоречия в своих гипотезах, тут, как я понимаю, наблюдения, открытия и модели пока что не опровергают голографический принцип, и поэтому он еще жив.
— Да, потому что голографический принцип – это лишь утверждение, очень широкое общее утверждение. А главное в нем – математический аппарат, который пока еще весьма плохо разработан. Но мы видим интересные возможности, некоторые из которых опровергаются наблюдениями, а некоторые пока нет.
— Понятно. Ладно, спасибо, Пол.
— Всегда пожалуйста. Итак, сегодня мы постарались раскрыть основы голографического принципа. Это как с его помощью можно объяснить устройство вселенной. Спасибо, Пол, что помог мне понять, хотя вряд ли я что-то понял.
— Вы просили эту тему, пожалуйста! И если у вас есть вопросы насчет других сложных идей в астрономии, оставляйте их в комментариях, и не забудьте подписаться на канал доктора Сатары на ЮТубе "Ask a Spaceman". До скорого!
Переведено и озвучено студией Art Dai Dar.