Холограма ли е Вселената?

За описание на Вселената вероятно е необходимо едно измерение по-малко, отколкото се смята, че тя притежава. Изчисления на ТУ Виена показват, че не става въпрос просто за някакъв трик на изчисление, а за основно свойство на пространството.

На пръв поглед изглежда всяко съмнение е изключено: За нас Вселената е триизмерна. Една от най-страховитите идеи на теоретичната физика през последните две десетилетия обаче поставя под съмнение именно това: „Принципът на холографията“ казва, че за описание на нашата Вселена вероятно е необходимо едно измерение по-малко, отколкото се смята, че тя притежава. Това, което ние възприемаме като триизмерно, може да се разглежда още като изображение на двуизмерни процеси на фона на огромния космически хоризонт.

Досега са правени проучвания само в едно екзотично пространство-време с отрицателно изкривяване, което от теоретична гледна точка действително представлява интерес, но се различава значително от нашата Вселена. Резултати от проучвания на ТУ Виена се доближават до предположението, че този холографски принцип е в сила и за плоско пространство-време, такова, каквото го наблюдаваме ние в нашата Вселена.

Холографският принцип

Холограма, работа на дизайнера Oliver Laric

Холограмите са ни познати от банкноти или кредитни карти. Те всъщност са двуизмерни, ние обаче ги виждаме като триизмерни. Има вероятност поведението на Вселената да е подобно.

Според холографския принцип, за математическото описание на Вселената е достатъчна информацията, съдържаща се във външната й граница.

„Още през 1997 физикът Хуан Малдасена изказва предположението, че е налице съответствие между теориите на гравитацията в изкривени анти-де Ситер пространства и квантовите теории на полето в пространства с едно измерение по-малко“, казва Даниел Грумилер от Института за теоретична физика към Технически университет Виена.

Гравитационните явления са описани в теория с три пространствени измерения (ОТО), поведението на квантовите частици се изчисляват по теория само с две пространствени измерения.

Според холограмният принцип може да се обединят резултатите от двете теории.

Подобна връзка първоначално изглежда изненадваща – все едно да ремонтираш CD-плейър, използвайки формулите от учебник по астрономия. Методът обаче вече е донесъл успехи. Междувременно са публикувани повече от 10 000 научни труда във връзка с описаното от Малдасена съответствие между анти-де Ситер пространствата и квантовата теория на полето.

Какво означава всичко това - де Ситер, анти-де Ситер пространства и пространства плоски, с положителна и с отрицателна кривина - прочетете в статията на Хуан Малдасена "Илюзията гравитация".

Изображение на двумерно анти-де Ситер пространство, вградено в плоско тримерно пространство. Илюстрация: wikipedia

Малко история

През 1993 г. известният холандски физик теоретик Герард'т Хоофт (Gerard't Hooft )  представя смело предположение, което прилича на алегорията на пещерата на Платон. Това предположение, известно като холографски принцип, се състои от две основни твърдения:

Твърдение 1. Първото твърдение на холографския принцип е, че цялата информация, която се съдържа в някаква област на пространството може да се представи като "холограма", която "се излъчва" от границата на тази област или може да се определи от теорията на границата на тази област.

Например, ако разглежданата област е сладкарница, холографският принцип твърди, че цялата физика в сладкарницата може да бъде представена от теория, която се определя по стените на сладкарницата.

Твърдение 2. Второто твърдение на холографския принцип е, че теорията на границата на изследваната област на пространството трябва да съдържа най-много една степен на свобода на изключително малка площ (Планковa площ), оградена със страна с дължина равна на дължината на Планк, която обикновено се обозначава като L_p.

L_p = 1.6 * 10^-33 см

През 1993 г. холандският физик Герард'т Хоофт (Gerard't Hooft ) предложил този принцип, като го прилага към струнната теория под формата на т. нар. AdS/CFT-съответствие.

Междувременно пространството анти-де Ситер има отрицателна кривина, а кривината на Вселената се смята за близо до нулата, т.е. тя е плоска или поне – почти плоска. А както показват изчисленията на изследователите аналог на това съответствие може да важи и за плоска Вселена.

Принципът на съответствие в плоска Вселена

За теоретичната физика той определено е важен, но към настоящия момент нашата Вселена няма нищо общо с него. В крайна сметка ние не живеем в анти-де Ситер пространство. Подобни пространства се отличават с невероятни характеристики. Те имат отрицателно изкривяване и обекти, хвърлени надалеч в права линия, се връщат обратно. „За разлика от тях нашата Вселена е сравнително плоска – и разглеждана от астрономически разстояния нейното изкривяване е положително“, споделя Даниел Грумилер.

Грумилер впрочем още преди няколко години предполага, че принципът на съответствие може би важи и за нашата реална Вселена. За да се разбере това, е необходимо да се конструират гравитационни теории, които нямат нужда от анти-де Ситер пространства, а са в сила за обикновени плоски пространства. Върху това вече около 3 години работят в сътрудничество университетът в Единбург, Харвард, Индийският институт за научно образование и проучвания, Масачузетският технологичен институт, университетът Киото и ТУ Виена. Сега Грумилер заедно с колеги от Индия и Япония публикува статия в списание „Physical Review Letters“, която потвърждава предположението за съответствие в плоска Вселена.

Два пъти изчисления – един и същ резултат

„Ако квантовата гравитация в плоско пространство допуска холографско описание чрез обикновена квантова теория, тогава би следвало да е възможно изчисляването на физични величини на базата на двете теории и резултатите би трябвало да съвпадат“, казва Грумилер. Най-вече е необходимо едно ключово свойство на квантовата механика – квантовото ограничение – да бъде открито и от страна на теорията за гравитацията.

Ако квантовите частици имат ограничение, математически те не подлежат на разделно описание – от гледна точка на квантовата физика те образуват един цял обект, дори да се намират на големи разстояния една от друга. Мярка за квантово-механичното ограничение е т.нар. „ентропия на ограничението“. Заедно с Арюн Багхи, Рудранил Басу и Макс Рийгел Даниел Грумилер успява да покаже, че за тази ентропия на ограничението в една теория за квантовата гравитация в плоска Вселена и една квантова теория на полето с по-малък брой измерения стойностите действително са едни и същи.

„Това изчисление потвърждава нашето предположение, че холографският принцип може да бъде реализиран и в плоско пространство-време. Същевременно това е и знак за валидността на този принцип в нашата Вселена“, обяснява Макс Рийгел, стипендиант по програмата за научно развитие на Австрийската академия на науките в изследователската група на Даниел Грумилер. „Сам по себе си фактът, че говорейки за гравитация можем да използваме квантово-информационни понятия като ентропия на ограничението, е смущаващ и до преди няколко години беше трудно да си представим подобно нещо. Това, че сега дори можем да използваме този факт като инструмент за тестване валидността на холографския принцип – още повече, че този тест беше сполучлив – е наистина забележително“, казва Даниел Грумилер.

С това далеч не е доказано, че живеем в холограма. Знаците в полза на предположенията обаче за валидността на принципа на съответствието в нашата реална Вселена изглежда все повече се увеличават.

Още по темата

02/05/2015

Физика

Хуан Малдасена: Илюзията гравитация