Paul Sutter jest astrofizykiem z Ohio State University i głównym naukowcem w COSI Science Center. Sutter jest również dyrektorem zarządzającym Ask the Spaceman and Space Radio i prowadzi AstroTours na całym świecie. Naukowiec przedstawił ciekawy artykuł w magazynie Expert Voices.
Pod koniec lat 90. fizycy teoretyczni odkryli w swojej nauce niezwykłe powiązanie między dwoma pozornie niepowiązanymi ze sobą koncepcjami. To połączenie jest prawie niezrozumiałe techniczne, ale może mieć daleko idące konsekwencje dla naszego zrozumienia grawitacji, a nawet wszechświata. Aby zilustrować to połączenie, zacznijmy od czarnej dziury.
Wpływ czarnej dziury na przepływ informacji
Naukowcy odkryli, że kiedy jeden kawałek informacji trafia w czarną dziurę, jej powierzchnia zwiększa się o bardzo dokładną wielkość: kwadrat długości Plancka, równy niewiarygodnie małym 1,6 x 10-35 m.
Początkowo może nie wydawać się do końca interesujące, że czarna dziura powiększa się, gdy wnika do niej materia lub energia, ale najbardziej zaskakujące jest to, że powierzchnia, a nie objętość, rośnie wprost proporcjonalnie do wiarygodnych informacji. Jest to całkowicie odmienne od większości innych znanych obiektów we wszechświecie.
Film promocyjny:
Czy żyjemy w trójwymiarowej przestrzeni?
W przypadku większości obiektów, które znamy, istnieje jedno prawo: jeśli „zużywa” jedną porcję informacji, jej objętość wzrośnie o jedną jednostkę, a jej powierzchnia wzrośnie tylko o ułamek. Ale w przypadku czarnych dziur sytuacja zmienia się dramatycznie. To tak, jakby informacja nie znajdowała się wewnątrz czarnej dziury, ale przyczepiła się do jej powierzchni.
Zatem czarna dziura jest w pełni trójwymiarowym obiektem w naszym trójwymiarowym wszechświecie i może być w pełni reprezentowana przez dwuwymiarową powierzchnię.
Jak działają hologramy?
Hologram to system wykorzystujący mniej wymiarów. Może spakować wszystkie informacje z oryginalnego systemu.
Na przykład żyjemy w trzech wymiarach przestrzennych. Kiedy pozujesz przed kamerą, rejestruje on dwuwymiarowy obraz Twojej twarzy, ale nie rejestruje wszystkich informacji. Kiedy później przyjrzysz się swojej pracy i użyjesz filtra, nie możesz na przykład zobaczyć tyłu głowy, niezależnie od tego, jak obrócisz obraz. Ale nagranie hologramowe zachowa wszystkie te informacje. Mimo że jest to widok 2D, nadal możesz go oglądać pod każdym kątem 3D.
Czarna dziura jako hologram
Opisanie czarnej dziury jako hologramu mogłoby dostarczyć rozwiązania tak zwanego paradoksu informacji o czarnej dziurze, tajemnicy, gdzie rodzi się informacja, gdy czarna dziura konsumuje materię. Ale to temat na inny artykuł. Koncepcja „czarnej dziury jako hologramu” jest również dobrym przykładem, o którym należy pamiętać, próbując spojrzeć na cały wszechświat.
Rozwiązywanie problemów prywatnych
Korespondencja między pozornie niezwiązanymi ze sobą gałęziami fizyki, o której wspomniano na początku tego artykułu, to kolejne zastosowanie technik holograficznych, które wywodzi się z niesamowitego modelu AdS-CFT.
AdS to skrót od Anti-De Sitter. Model ten reprezentuje szczególne rozwiązanie ogólnej teorii względności Einsteina. Opisuje całkowicie pusty wszechświat z ujemną krzywizną przestrzenną.
To raczej nudny wszechświat: nie zawiera materii ani energii, a równoległe linie ostatecznie rozchodzą się w zależności od położenia leżącej u podstaw geometrii. Chociaż proces ten może nie opisywać wszechświata, przynajmniej sugeruje, że życie na Ziemi ma początek. Ten nieco zrelaksowany model wszechświata ma niezbędne właściwości matematyczne, aby teoria złożona była istotna.
Teoria pola
Drugą stroną korespondencji jest struktura zwana konformalną teorią pola. Fizyka teoretyczna odpycha swoimi teoriami pola. Są to dźwignie używane przez naukowców do tworzenia różnych teorii kwantowych używanych do opisu trzech z czterech sił natury.
Elektromagnetyzm, silną siłę jądrową i słabą siłę jądrową można opisać za pomocą teorii pola, a przez ostatnie pół wieku ludzkość często praktykowała ich stosowanie.
Należy zrozumieć, dlaczego to połączenie jest tak ważne. Powiedzmy, że próbujesz rozwiązać naprawdę trudny problem, taki jak grawitacja kwantowa, za pomocą teorii strun, która jest próbą wyjaśnienia wszystkich podstawowych sił i cząstek we wszechświecie za pomocą małych wibrujących strun. W rzeczywistości jest to tak złożony problem, że mimo dziesięcioleci prób nikt nie znalazł rozwiązania.
Korespondencja AdS-CFT mówi nam, że techniki holograficzne można wykorzystać, aby uwolnić świat od tego bólu głowy.
Zamiast próbować rozwiązać problem grawitacji kwantowej w naszym trójwymiarowym wszechświecie, AdS-CFT pozwala nam przejść do równoważnego problemu na skraju wszechświata, który jest reprezentowany tylko przez dwa wymiary i nie zawiera grawitacji.
Równania teorii pola
Niemal niemożliwy rachunek matematyczny teorii strun jest zastępowany przez zestaw po prostu niesamowicie trudnych równań teorii pola. Pozwala to znaleźć rozwiązania problemów bez grawitacji, co uniemożliwia przeniesienie rozwiązania z powrotem do normalnego trójwymiarowego wszechświata i dokonywanie jakichkolwiek prognoz. Wszystko to wygląda na świetny pomysł i sposób na oszukanie natury przez ominięcie mechanizmów grawitacyjnych. A to może się okazać świetnym sposobem na „rozwiązanie” kwantowej grawitacji.
Istniejące sprzeczności
Ale w tej chwili istnieją pewne sprzeczności. Po pierwsze, nie żyjemy we wszechświecie przeciwko de Sitterowi. Nasz Wszechświat jest pełen materii, promieniowania i ciemnej energii i ma prawie całkowicie płaską geometrię.
Czy istnieje podobna korespondencja, która działa w naszym prawdziwym wszechświecie? Być może teoretycy ciężko pracują, aby znaleźć „granicę”, wziętą za korespondencję AdCa-CFT z kosmologicznym horyzontem - granicą tego, co możemy zobaczyć w naszym obserwowalnym Wszechświecie.
Wszystko byłoby zrozumiałe, gdyby nie moment, w którym żyjemy w dynamicznej czasoprzestrzeni z ciągle rosnącą przestrzenią, a ta granica nieustannie się zmienia. To stanowisko nie jest dobrze wyjaśnione we współczesnych teoriach.
Rzeczywiście, kiedy przechodzimy od modelu opisanego przez astrofizyka Sittera do prostszego modelu brzegowego wykorzystującego konformalną teorię pola, nowe układy równań można w zasadzie rozwiązać.
Nadal istnieją, ale często wyglądają fantastycznie, katastrofalnie, przerażająco i nierozwiązywalnie.
Więc czy istnieje hologram?
Nawet jeśli łącze AdS-CFT okazało się przydatne do rozwiązania problemu grawitacji kwantowej, a fizycy mogliby znaleźć sposób na poruszanie się po tych problemach i dostosowanie tej metody do wszechświata, w którym żyjemy, nie oznacza to, że faktycznie żyjemy w hologramie.
Błędem jest myślenie, że model AdS-CFT jest wygodnym sposobem rozwiązywania problemów grawitacyjnych naszego Wszechświata za pomocą grawitacji w trzech wymiarach.
To wszystko jest iluzją i naprawdę żyjemy w dwuwymiarowej przestrzeni bez grawitacji. Urządzenie matematyczne tak wygodne, jak to, nie zmienia naszych poglądów na fundamentalną naturę rzeczywistości.
Jeśli zasady holograficzne są przydatne do rozwiązywania problemów, nie oznacza to, że żyjemy w hologramie. I nawet gdybyśmy naprawdę żyli w hologramie, i tak nie bylibyśmy w stanie stwierdzić różnicy.
Maya Muzashvili