Вселената не е холограма
Може би физиците скоро ще могат да ни предложат картина на света, която няма да разбие мозъка ни.
Дял:
Общественото мнение реагира на различни научни открития с различна скорост. Ако например учените докажат, че косата губи блясъка и еластичността си от оралния секс, буквално на следващия ден в новинарските портали ще се появят съответните заглавия. Но това, което лесно пламва, бързо изгаря: след няколко дни обществеността ще загуби всякакъв интерес към новините. Като, всичко е наред, същите учени по някакъв начин ще го разберат, ще добавят нещо подобно към шампоана, така че научното откритие да не застрашава обичайния баланс на ежедневния живот на хората.
Но колкото по-скучна и по-мъдра е сферата на науката, колкото по-далеч е тя от тревогите и стремежите на обикновения човек, толкова повече време трябва на пресата, за да реагира на новината. Граничният случай е теоретичната физика. Теоретикът ще изчисли нещо подобно - но никой не разбира какво всъщност се е случило. Може би е объркал синуса с косинуса във формулата. Първо, той трябва да привлече вниманието на лудите си колеги физици, така че да разберат за какво говори, да проверят всички изчисления, да се ругаят няколко пъти един друг като „арогантни невежи“, както понякога правят дори в нашата общност. Дай Боже, след няколко години разбирателство ще изгрее. Едва тогава, постепенно, новината ще привлече вниманието на журналистите. И тогава най-накрая ще пишат за сензационното откритие.
В същото време, разбира се, всичко в света беше изкривено и объркано.
Това възнамеряваме да направим сега.
Откритието, за което ще стане дума, е направено още през 2013 г. Но тогавашната статия, написана от Леонард Съскинд и Хуан Малдасена, можеше да бъде разбрана от малцина, освен от шепа техни колеги. Въпросът се раздвижи малко миналата пролет, когато Съскинд прочете много разбираемолекция в Станфорд. И сега, когато Малдасена разказа историята в „Сайънтифик Американ“ за абсолютно гъст профан, целият свят заподозря, че физиците наистина са попаднали на следите на някаква много важна тайна на Вселената. Сега е наш ред да запознаем читателите с тази вълнуваща тема.
По традиция, за да изплашим веднага най-повърхностните и неспокойни читатели, ще започнем отдалеч.
Нечестното предимство на Айнщайн
Моцарт, разбира се, е велик композитор, но ако напише „Апасионата“, симфоничната поема „Вълтава“ и балета „Петрушка“ веднага след „Реквиема“, би било нечестно, нали разбирате: на Бетовен, Сметана и Стравински нямаше да им остане почти нищо за композиране. Във физиката обаче се получи точно такава неловкост.
Съвременната физика по същество се състои от квантовата механика и теорията на относителността. Теория на относителността през 1904–1918 г изобретен от Алберт Айнщайн. Един от първите градивни елементи на квантовата механика е обяснението на фотоелектричния ефект, за което Айнщайн отново получава Нобелова награда. Тогава, разбира се, Шрьодингер, Бор и Хайзенберг свършиха огромно количество черна работа, но наистина ли беше трудно за някой от тях да отложи дори тази първа квантова Нобелова награда? Защо за едни е всичко, а за други нищо?
Излишно е да казвам, че както заплетените частици, така и червеевите дупки получиха най-широка публичност в научнопопулярните книги. На първото се основава квантовата телепортация, на второто - всякакви фантастични машини на времето и хитри устройства за мигновени междузвездни полети. Тоест двата основни чипа на научната фантастика на ХХ век също са дело на Айнщайн и той ги е родил почти едновременно.
Какво става с холограмите
Първият неясен намек, че квантовата механика и общата теория на относителносттаможе би нещо общо, дойде през 1998 г. Не много известният аржентински физик Хуан Малдасена направи доклад, от който стана ясно, че в математическите изчисления формулите на квантовата механика могат да бъдат заменени с формулите на релативизма - просто трябва да добавите още едно измерение към пространството. Този трик беше наречен AdS-CFT еквивалентност (AdS е толкова специално „анти-de Sitter пространство“, до което теорията на Айнщайн води в празно пространство, а CFT е конформна теория на полето, безнадеждно квантово нещо). Това значително опростява изчисленията, но никой не разбира какво означава всичко това. Една от визиите е следната: ние живеем в триизмерен свят, където телата се привличат, масите огъват пространството и се случват всякакви други глупости на Айнщайн. Въпреки това, за да се опише тази глупост, е достатъчно да се разгледат квантовите полета на отдалечената граница - един вид външна обвивка на този свят. Върху този тънък филм няма гравитация, там (математически) се случва нещо съвсем различно. И това „друго“ поражда целия облик на нашия триизмерен свят.
В тази картина много е ушито с бели конци, но публиката веднага я хареса. Какъв добър начин да се справим с всички сложности на нашия свят е просто да приемем, че наистина няма свят! На повърхността му има странен модел, който, подобно на холографията, поражда целия този вид. И тъй като всичко е само привидност, нека лудите теоретици го разберат, но с тази Вселена всичко ни е ясно: тя просто не съществува.
Статии, озаглавени "Нашият свят е холограма", започнаха да се разпространяват в научно-популярните издания. Те се разтягаха на шутове, получавайки нов тласък всеки път, когато физиците успееха да направят някакво ново интересно изчисление, базирано на AdS-CFT еквивалентността. Имаше много такива изчисления и заза десетилетие и половина теоретиците са станали доста добри в прескачането от тензорни уравнения на общата теория на относителността към квантови полета и обратно - и един прост лаик отново прочете в раздела "Наука" не много разбираемо бърборене за холограми.
Междувременно Леонард Съскинд, наред с други неща, спореше със Стивън Хокинг за парадоксите на черните дупки. За това той написа прекрасна книга "Битката на черната дупка", благодарение на която стана известен на светската общественост. За предистория по въпроса (от негова страна) препращаме читателя към тази книга.
И тогава един ден Съскинд разговаря с Хуан Малдасена за различни физически различия, което доведе до появата на същата статия от 2013 г.
Какво направиха Съскинд и Малдасена
Е, разбира се, че не са сами. Веднага щом физиците имаха такъв прекрасен инструмент като AdS-CFT - т.е. способността понякога да заменят квантовата механика с теорията на относителността и обратно - много хора станаха любопитни на какво точно съответстват тези или онези елементи от тази квантова механика. Веднъж писахме за един опит да разберем това тук: канадският физик Ван Рамсдонк откри, че квантовото заплитане може да съответства на такова фундаментално свойство на класическия свят като свързаността (тоест, просто казано, геометрията) на пространство-времето. Много важна забележка - жалко, че не е много ясно.
Но Малдасена и Съскинд бяха впечатлени от друго произведение: един вид парадокс, който възниква, когато квантово заплетени неща са хванати в черна дупка. Те се заели да разберат този парадокс. И като разбраха, те написаха статията си.
Но те могат да направят нещо по-интересно. Ромео и Жулиета започват да строят две далечни черни дупки от техните заплетени частици. Най-накрая работата е завършена.След като се любуват на чисто новите дупки, нежно блещукащи от хокингово излъчване, влюбените се втурват с главата напред в нея - всеки в своята дупка.
. И има радостна среща! Защото две дупки, изградени на различни места от заплетени частици, ще имат общо черво. Тоест, отвън това са различни дупки, но отвътре - едно и също.
Това е резултатът, който получиха Малдасена и Съскинд. По-точно, това, което получиха, беше следното: математическото описание на квантовото заплитане в черните дупки се оказа еквивалентно** на самото решение на Айнщайн-Розен, което описва червееви дупки. Тоест, поне в конкретен случай, квантовото заплитане и пространствено-времевият тунел се описват от една и съща математика. Така че това е едно и също нещо.
Това свойство на физическите уравнения е наречено ER=EPR от теоретиците, след ранните статии на Айнщайн. Оказа се, че двата физически феномена, които озадачават Айнщайн през 1935 г. - единият от които изглежда го заинтригува, а другият го дразни - са едно и също явление.
Какво означава всичко това
Строго погледнато, резултатите на Maldacena и Susskind се отнасят до един специфичен случай: когато заплетени частици пресичат хоризонта на събитията. Въпреки това, много хора веднага си помислиха, че това най-вероятно е частен случай на общото правило: където има квантово заплитане, има и червеева дупка. А това означава, че най-накрая има начин да се хармонизират квантовата теория и релативизма, двете основни интелектуални творения на Алберт Айнщайн. Тази история страшно вдъхнови физиците. Например възникна проектът It from Qubit, участниците в който си поставиха амбициозна задача: да покажат как точно пространство-времето възниква от заплетени състояния на квантови битове информация.
просточовек от хората, като вас и мен, се интересува от физиката само като възможност да изгради за себе си картина на света за лична употреба, която поне по някакъв начин да съответства на реалното състояние на нещата, тоест няма да бъде твърде невежа. Съвременната физика досега се съпротивлява на такова лечение. Има няколко трудни трика, които се вписват в обикновена глава с голяма трудност.
Или друга история: частица лети едновременно през два процепа на екрана. Освен това, знаете ли, не се вписва добре в главата. И накрая, квантовата телепортация е много мистериозно нещо, въпреки че вече се използва в действителност за криптография. Всички тези сложности ни изкушават да се откажем и да кажем: „По дяволите този свят с толкова глупави правила на играта – така или иначе, физиците доказаха, че това е просто холограма!“
Но се оказва, че трикът, наречен ER=EPR, върши добра работа, като постави всичко в главата ви, придавайки на квантовия свят много реално и осезаемо значение. Точно това се опита да покаже Леонард Съскинд в своята лекция в Станфорд. Ако самият наш читател е физик, не ни вярвайте на думата, прочетете тази лекция. Ако не е физик, тогава добре, повярвайте ми: Съскинд го разглоби на свой ред котката на Шрьодингер (заедно с множеството светове на Еверет и още един герой – „приятелят на Вигнър“, който е чувал за него, ще разбере), трика с две дупки в екрана и телепортацията, за да стигне до заключението: червееви дупки, произтичащи от квантовото заплитане, придават на всичко неочаквано ясен смисъл. Доста подходящ за поставяне в главата на средния потребител на една картина на света.
И ако е така, тогава в калните заглавия на популярни статии като "Живеем в холограма" няма да има нужда от ***. Скоро ще можем да си обясняваме всичко без тези излишни украшения, обикновеничовешки думи.
**Бележка 2, за маниаци. Ако се чудите как апаратът AdS-CFT, който изисква от вас да си представите специален свят с различен брой измерения, следва подобни заключения за реалния триизмерен свят, обърнете внимание на факта, че квантово заплетени частици от чантата на Алис и Боб се озовават в хоризонта на събитията на черните дупки, а това са двуизмерни повърхности.
***Бележка 3, за упорития любител на холограмите. „Не, но холографският принцип не е изчезнал никъде?“ ще попита той. Думата за отговор е оставена на Леонард Съскинд и не е моя вина, ако го разберете погрешно:„Настоящият източник на цялата мъдрост, теорията за AdS-CFT, даде огромен тласък на квантовата гравитация, но това не свършва дотук. Защо в AdS-CFT никога не задаваме въпросите, които повдига „формулировката на относителното състояние“? Има причина за това: съществуването на асимптотична граница. Теорията е изградена по такъв начин, че външен „супер-наблюдател“ може да манипулира CFT и да прави измервания, но този супер-наблюдател не е част от системата. За такъв супернаблюдател Копенхагенската интерпретация (с колапса на вълновата функция) е напълно достатъчна. Но рано или късно ще се наложи да напуснем безопасната зона на асимптотично студените граници и да формулираме теория, в която Вселената изглежда като преплетена мрежа от заплетени подсистеми, без специален супер-наблюдател. Очаквам, че когато това се случи, ER=EPR ще стане един от крайъгълните камъни на тази теория.”