Правда ли, что наша Вселенная — это голограмма? / Хабр
Наверняка вы задумывались над тем, что реальность может быть чем-то большим, чем то, что мы можем увидеть, ощущать неким другим образом, обнаружить или вообще хоть как-то наблюдать. Одна из интересных, хотя и совершенно умозрительных идей последнего времени в науке, состоит в том, что в нашей Вселенной, кроме трёх пространственных и одного временного измерения, могут существовать дополнительные измерения, нами не воспринимаемые.
На основе этих идей, — красивых, но умозрительных, — более 20 лет назад была построена теория «вселенной-голограммы». И всё это время теория остаётся сколь занимательной, столь и проблемной.
▍ Что такое голограмма?
Реальное трёхмерное изображение-проекция ДНК, сделанное при помощи системы зеркал
Голограмма — удивительное технологическое достижение. Изображение, напечатанное на двумерной плоскости, при правильном освещении кажется реально трёхмерным, и при изменении углов зрения правильно воспринимается глазами — относительные расстояния до разных частей трёхмерного изображения выглядят так, как нужно.
Кажется, будто бы за двумерной поверхностью голограммы существует настоящий трёхмерный мир, детали которого можно рассмотреть так, будто мы наблюдаем за ним в зеркале.
Это получается благодаря тому, что голограмма — не просто статичное изображение, а световая карта трёхмерного объекта. При создании голограммы вместе сходятся свет, оптика и физика, и они кодируют набор информации из мира с большим количеством измерений на поверхности с меньшим количеством измерений.
В отличие от голограммы, фотография работает гораздо проще. Мы берём свет, испускаемый или отражённый объектом, фокусируем его при помощи линз и записываем картинку, падающую на плоскую поверхность. Точно так же наши глаза воспринимают окружающий мир — линза глазного яблока фокусирует свет на сетчатке, там изображение кодируют палочки и колбочки, отправляют его в мозг, а он уже его обрабатывает.
Однако при использовании когерентного света (например, от лазера) и особой эмульсии вы уже не будете ограничены записью плоского изображения — вы сможете записать и создать карту целого светового поля.
И часть закодированной информации — это трёхмерные координаты всех объектов изображения, включая такие вещи, как вариации плотности, текстуры, прозрачность и расстояние между ними.
Всё это кодируется в световом поле и честно переносится на двумерную поверхность голограммы. Затем, когда эту поверхность правильно подсвечивают, наблюдателю предстаёт весь набор записанной трёхмерной информации с любой точки обзора. Таким образом — можно создать обычную голограмму, напечатав двумерную карту светового поля на металлической плёнке.
Фото голограммы из музея MIT. Она выглядит, как трёхмерный объект, но на самом деле представляет собой двумерное световое поле, закодированное на поверхности голограммы. При правильной подсветке удаётся увидеть трёхмерные свойства этого поля
▍ Как ещё можно применить эту идею?
В физике повсеместно используется идея того, что можно изучить поверхность с меньшим количеством разрешений и получить не только много информации о закодированной на ней реальности с бо́льшим количеством измерений, но и всю информацию о наборе физических свойств этой реальности.
Такое возможно, к примеру, в электромагнетизме: вы можете решить любую из трёх краевых задач: задачу Дирихле, Неймана или Робена. Что-то похожее есть в Общей теории относительности — только там, если многообразие пространства-времени не замкнуто, нужно добавить ещё один краевой член. Вообще, во многих областях физики зная законы, управляющие поведением границы, и поведением ограниченного ею пространства, можно, измеряя свойства границы, определять весь набор физических свойств того, что находится внутри.
Такого рода рассуждения годятся даже для чёрных дыр — правда, эта теория проверялась только в моделях; для проверки теории на реальной чёрной дыре её ещё предстоит как следует измерить.
Но, в теории, когда отдельный квант падает в чёрную дыру — трёхмерный объект, существующий в нашей трёхмерной Вселенной — они уносят с собой всю квантовую информацию. Однако при распаде чёрной дыры в результате излучения Хокинга это самое излучение должно обладать только спектром абсолютно чёрного тела — без всякой информации о массе, заряде, спине, поляризации, барионном или лептонном числе тех квантов, которые породили их, упав в чёрную дыру. Это свойство несохранения известно как парадокс исчезновения информации в чёрной дыре, и тут возможно только два варианта. Либо информация реально не сохраняется, либо ей как-то удаётся сбежать из тесных объятий чёрной дыры в процессе испарения.
Так вот, вполне вероятно, что на горизонте чёрной дыры есть двумерная поверхность, на которой сохраняется вся информация, попавшая в чёрную дыру или излучённая из неё. Возможно, что этот голографический принцип вполне может разрешить информационный парадокс, и спасти принцип унитарности (грубо говоря, идею о том, что сумма всех вероятностей всех возможных вариантов развития событий равна 1).
▍ Является ли наша Вселенная голограммой?
Мы, судя по всему, находимся в четырёхмерном пространстве-времени, с тремя пространственными и одним временным измерением. Но что, если это не полная картина реальности? Вдруг существует больше измерений, нам недоступных, и то, что мы воспринимаем в виде четырёхмерной вселенной, на самом деле является границей некоего объекта с бо́льшим числом измерений, который и является «настоящей» Вселенной?
Эта довольно странная идея произрастает из, казалось бы, не совсем связанной с данной темой теории струн. Эта теория выросла из струнной модели, пытавшейся объяснить сильные взаимодействия, происходящие внутри таких составных частиц, как протоны, нейтроны и в других барионах (и мезонах). Правда, модель давала всякие безумные предсказания, вроде существования частиц со спином 2. Но если задрать шкалу энергий повыше, теория струн в принципе может объединить фундаментальные взаимодействия с гравитацией.
Идея того, что все взаимодействия и частицы являются проявлениями одной общей теории, очень привлекательно. Однако для неё требуются дополнительные измерения, а также куча дополнительных частиц и взаимодействий. Против теории струн говорит то, что она пока не дала ни одного проверяемого предсказания, а также то, что некоторые её свойства не соответствуют наблюдаемой нами Вселенной — по крайней мере, по текущим представлениям.
Однако свойство (или недостаток — как посмотреть) этой попытки обрести «святой Грааль» физики состоит в том, что для этой теории требуется множество дополнительных измерений. И как тогда получить нашу Вселенную с тремя пространственными измерениями из той многомерной, которую даёт нам теория? И какая из теорий струн является правильной (поскольку её можно реализовать множеством способов)?
Может быть, множество разных моделей теорий струн являют собой разные аспекты одной и той же фундаментальной теории, на которую мы смотрим с разных точек зрения.
В математике эквивалентные системы называются дуальными; одним из неожиданных открытий стало то, что иногда две дуальные друг другу системы обладают разным количеством измерений. И тут мы подходим к голограмме.
Весь сыр-бор в физике на эту тему связан с тем, что в 1997 году физик Хуан Малдасена предложил АдС/КТП соответствие — оно же «калибровочно-гравитационная дуальность» или просто «голографическая дуальность». Суть его в том, что наша Вселенная с тремя пространственными и одним временным измерением и квантовыми теориями поля, описывающими элементарные частицы и их взаимодействия, дуальна пространству-времени с бо́льшим количеством измерений (Антидеситтеровскому пространству), задействованному в квантовых теориях гравитации.
За прошедшие 25 лет физики и математики изучили это соответствие вдоль и поперёк, и оказалось, что его можно с пользой применять к разным системам в физике конденсированных состояний и твёрдых тел. Но что касается применения этого соответствия ко всей Вселенной, и, в частности, к теории струн, в которой у нас есть не менее 10 пространственных измерений, — тут мы натыкаемся на целый букет проблем, которые оказывается не так-то легко решить.
Во-первых, мы вполне уверены, что не живём в Антидеситтеровском пространстве, поскольку мы измерили воздействие тёмной энергии, и получается, что ускоренное расширение Вселенной соответствует случаю, в котором космологическая константа положительна. А пространство-время с положительной космологической константой похоже на Деситтеровское пространство, поскольку в Антидеситтеровском пространстве космологическая константа должна быть отрицательной. А поскольку в Деситтеровском пространстве возникает несколько математических проблем, мы указанное соответствие построить не можем.
Во-вторых, единственные примеры дуальности, открытые нами, связаны с тем фактом, что пространство с бо́льшим количеством измерений отличается от пространства с меньшим их количеством ровно на одно измерение. Двумерные голограммы могут записывать только трёхмерную информацию. Четырёхмерные конформные теории поля, входящие в АдС/КТП соответствие, применимы только к пятимерным Антидеситтеровским пространствам.
Но есть ещё один интригующий аспект АдС/КТП соответствия. Да, конечно, у нас есть две реальные проблемы — неправильный знак у космологической константы и неправильное количество измерений. Но когда два пространства с разным количеством измерений дуальны друг другу, в некоторых случаях можно получить больше информации о пространстве с бо́льшим количеством измерений, чем можно было бы подумать изначально. Конечно, на границе пространства, у которой измерений меньше, содержится меньше информации, чем внутри всего того объёма, который она ограничивает. Из этого следует, что когда вы измеряете один процесс, происходящий на поверхности границы, вы можете узнать гораздо больше о том, что происходит внутри более крупного пространства с бо́льшим числом измерений.
И одна интересная особенность, потенциально связанная с нобелевской премией по физике 2022 года, касающейся квантовой запутанности, состоит в том, что нечто, происходящее в многомерном пространстве может связать два разных, вроде бы не связанных между собой, участка маломерной границы.
И всё-таки за эти 25 лет мы так и не приблизились к тому, чтобы найти эти дополнительные измерения, понять, связаны ли они каким-то образом с нашей реальностью, или выдать какие-то важные теоретические идеи, которые помогли бы нам лучше понять нашу Вселенную. Но дуальность отрицать нельзя — это просто математический факт. АдС/КТП соответствие не теряет математической привлекательности, хотя остаются нерешёнными два важных вопроса — то, что оно даёт неправильный знак для тёмной энергии, и то, что оно работает только для пяти измерений, а не десяти (или более), необходимых для теории струн.
Возможно, что теория голографической Вселенной когда-нибудь приведёт нас к теории квантовой гравитации.
Но пока мы не решим две этих загадки, представить, как мы сможем туда прийти, не получится.
Telegram-канал с полезностями и уютный чат
Ученые нашли доказательства того, что Вселенная — это голограмма
Поиск по сайтуКейсы 31 января 2017
Далее
Канадские, итальянские и британские ученые заявили, что нашли первые существенные доказательства того, что Вселенная – сложнейшая голограмма. Для этого они изучили неоднородность реликтового излучения («послесвечение» Большого взрыва), пишет Science Daily.
Читайте «Хайтек» в
На иллюстрации, представленной исследователями, изображена временная лента. Слева, в самом ее начале, находится мутная и нечеткая голографическая фаза. Нечеткость обусловлена тем, что время и пространство еще не сформированы.
Здесь Вселенная максимально приближена к моменту Большого взрыва — она якобы плоская. Это своего рода матрица, из которой потом возникает объем.
Paul McFadden
К концу голографической фазы пространство обретает геометрические формы — показано на 3 эллипсе — и уже описывается уравнениями Эйнштейна. Спустя 375 000 лет появилось реликтовое или космическое микроволновое фоновое излучение. Оно содержало в себе шаблоны для развития звезд и галактик более поздней версии Вселенной — крайнее правое изображение. Другими словами, есть плоская 2D-вселенная в другом измерении, которая «проецирует» нашу.
Теория о том, что Вселенная является голограммой высокого разрешения, появилась в 1997 году. Один аргентинский математик придумал объединить теорию относительности с квантовой физикой. Согласно его гипотезе, модель всей нашей трехмерной реальности вместе со временем содержится в плоских 2D-границах.
Профессор математических наук Костас Скендерис объясняет: «Представьте, все, что вы видите, слышите и чувствуете в этом трехмерном мире, на самом деле содержится в плоском двумерном шаблоне.
Идея похожа на голографические карточки, где на плоскости закодировано трехмерное изображение. Только в нашем случае закодирована целая вселенная».
Также явление можно не совсем корректно сравнить с просмотром 3D-фильмов. Зритель видит ширину, глубину, объем объектов, но при этом понимает, что их источником является плоский экран кинотеатра. Только в нашей реальности мы не только наблюдаем за глубиной объектов, но можем чувствовать их.
За последние десятилетия развились технологии: телескопы и телеметрическое оборудование стало точнее и эффективнее. Это позволило найти огромное количество информации в «белом шуме» или том микроволновом излучении, что осталось еще со времен «сотворения» Вселенной. Используя эту информацию, команда ученых провела сложное сравнение особенностей, найденных в этих данных, с квантовой теорией поля. Им удалось отыскать то, что они назвали первым существенным доказательством того, что Вселенная — голограмма. Оказалось, что простейшие постулаты квантовой теории поля объясняют все, что ученым удалось узнать о ранней Вселенной за время всех космологических исследований.
Обитатели Кремниевой долины готовятся к концу света
Кейсы
Профессор Скендерис говорит: «Голограмма — это огромный прыжок вперед в осмыслении структуры вселенной и момента ее создания. Общая теория относительности Эйнштейна отлично работает, когда речь идет о больших масштабах. Когда исследования спускаются на квантовый уровень, то она начинает разваливаться. Ученые десятилетиями работали над примирением квантовой теории и теории гравитации Эйнштейна. Некоторые верят, что этого можно достичь с помощью голографического представления. Надеемся, что мы приблизились к этому моменту».
Читать ещё
Поздравляем, вы оформили подписку на дайджест Хайтека! Проверьте вашу почту
Спасибо, Ваше сообщение успешно отправлено.
Теория о том, что вселенная является голограммой, объясняется менее чем за 5 минут
Послушайте первый выпуск нашего нового подкаста, в котором ученый Мэтью Хедрик объясняет одну из самых сногсшибательных идей в физике.
16 ноября 2018 г.
Ниже приведена расшифровка эпизода .
ЛОУРЕНС ГУДМАН, ВЕДУЩИЙ
Добро пожаловать на первый — первый выпуск — нового подкаста Университета Брандейса «The Take: Большие идеи, объясненные менее чем за 5 минут», где профессора объясняют основные концепции своих исследования менее чем за пять минут.
Я Лоуренс Гудман из Управления связи. Сегодня со мной адъюнкт-профессор физики Университета Брандейса Мэтью Хедрик, который здесь, чтобы объяснить, что на самом деле является умопомрачительной теорией в физике, идею о том, что вселенная является голограммой. Его также называют голографическим принципом.
И это настоящая теория.
Это не научная фантастика, и профессор Хедрик в ней эксперт.
Большое спасибо, что присоединились к нам.
АССОЦИИРОВАННЫЙ ПРОФЕССОР ФИЗИКИ МЭТЬЮ ХЕДРИК
Приятно быть здесь.
ХОЗЯИН : Итак, начнем с самого начала. В двух словах, что такое голографический принцип?
ХЕДРИК : Ну, как вы сказали, голографический принцип — это идея о том, что вселенная вокруг нас, которую мы привыкли считать трехмерной — у нас есть три измерения пространства — на самом деле находится на более фундаментальном уровне. двумерным и что все, что мы видим, что происходит вокруг нас в трех измерениях, на самом деле происходит в двухмерном пространстве.
ХОЗЯИН : Отлично. Итак, давайте разобьем его еще дальше. Эта двухмерная плоскость, из чего она сделана? Он сделан из того, что вы называете информацией?
ГОЛОВНОЙ СТЕКЛО : Верно. Так же, как биты и байты, живущие на компакт-диске, которые кодируют, например, музыкальное произведение — на этом плане живут биты, из которых фундаментально состоит наша вселенная.
Вот где они закодированы, и то, что они кодируют, это то, что мы видим вокруг себя в трех измерениях.
ХОЗЯИН : И когда вы говорите об информации, можете ли вы привести пример части информации или единицы информации?
HEADRICK : Понятие информации очень общее. Когда мы говорим о компьютерах, мы думаем о битах, байтах, мегабайтах и так далее. Примером в физике информации могут быть, например, положения и скорости физических объектов.
ВЕДУЩИЙ : Итак, вы говорите, что эта информация на двумерной плоскости кодирует нашу трехмерную вселенную?
СТАРКА : Точно. Как и в примере с компакт-диском, он кодирует какое-то музыкальное произведение. В данном случае он кодирует то, что происходит в нашей вселенной.
ВЕДУЩИЙ : Сейчас вы работаете над большим проектом с учеными всего мира, финансируемым Фондом Саймонса, по использованию голографического принципа для согласования общей теории относительности с квантовой механикой.
HEADRICK : Проблема объединения квантовой механики и теории относительности Эйнштейна является одной из самых сложных проблем в физике. Итак, квантовая механика — это теория, которая обычно используется для описания вещей, происходящих в очень малых масштабах, таких как атомы и ядра и так далее. Теория относительности Эйнштейна используется для описания гравитации и Вселенной в больших масштабах.
Как физики-теоретики мы не удовлетворены наличием двух разных теорий. Нам нужна одна единая теория, которая охватывает и то, и другое, и это очень трудная проблема, над которой физики-теоретики работали большую часть последних ста лет. Оказывается, что эта идея голографического принципа или Вселенной является голограммой, хотя на первый взгляд она может показаться совершенно случайной идеей, на самом деле она помогает нам решить некоторые из самых сложных загадок, возникающих при попытке объединить квантовую механику. и общая теория относительности. Вот почему мы взволнованы и именно поэтому мы продолжаем изучать его.
ХОЗЯИН : И вот оно, объяснение голографического принципа менее чем за пять минут. В ближайшие месяцы мы собираемся сделать гораздо больше таких подкастов, поэтому я надеюсь, что вы присоединитесь к нам, чтобы посмотреть «The Take: Большие идеи, объясненные менее чем за 5 минут». Предоставлено вам Университетом Брандейса.
Является ли наша Вселенная голограммой? Физики обсуждают знаменитую идею в связи с ее 25-летием
Двадцать пять лет назад в этом месяце одна гипотеза потрясла мир теоретической физики. В нем была аура откровения. «Сначала у нас было волшебное заявление… почти из ниоткуда», — говорит Марк Ван Рамсдонк, физик-теоретик из Университета Британской Колумбии в Ванкувере. Идея, выдвинутая Хуаном Малдасеной из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, намекала на нечто важное: наша Вселенная могла быть голограммой. Точно так же, как трехмерная голограмма возникает из информации, закодированной на двухмерной поверхности, четырехмерное пространство-время нашей Вселенной может быть голографической проекцией реальности более низкого измерения.
В частности, Малдасена показал, что пятимерная теория типа воображаемого пространства-времени, называемого пространством анти-де Ситтера (AdS), включающая гравитацию, может описывать ту же систему, что и низкомерная квантовая теория поля частиц и полей в отсутствие гравитации, называемой конформной теорией поля (КТП). Другими словами, он нашел две разные теории, которые могли описать одну и ту же физическую систему, показав, что теории в некотором смысле эквивалентны, даже несмотря на то, что каждая из них включала разное количество измерений, и одна учитывала гравитацию, а другая — нет. т. Затем Малдасена предположил, что эта дуальность AdS/CFT применима и к другим парам теорий, причем одна из них имеет одно дополнительное измерение, чем другая, возможно, даже к тем, которые описывают четырехмерное пространство-время, подобное нашей.
Предположение было одновременно интригующим и шокирующим. Как может теория, включающая гравитацию, быть такой же, как теория, в которой гравитации нет места? Как они могли описать одну и ту же вселенную? Но двойственность в значительной степени сохранилась.
По сути, он утверждает, что происходящее внутри некоторого объема пространства-времени, обладающего гравитацией, можно понять, изучая квантово-механическое поведение частиц и полей на поверхности этого объема, используя теорию с одним меньшим измерением, в которой гравитация играет роль. нет роли. «Иногда некоторые вещи легче понять в одном описании, чем в другом, и знание того, что вы действительно говорите об одной и той же физике, очень важно», — говорит Нетта Энгельхардт, физик-теоретик из Массачусетского технологического института.
За 25 лет с тех пор, как Малдасена выдвинул эту идею, физики использовали эту способность, чтобы ответить на вопросы о том, уничтожают ли черные дыры информацию, чтобы лучше понять раннюю эпоху в истории нашей Вселенной, называемую инфляцией, и прийти к поразительному выводу. что пространство-время может быть не фундаментальным, а чем-то, что возникает из-за квантовой запутанности в системе более низкого измерения. Конечно, все эти достижения связаны с теоретически правдоподобным пространством-временем анти-де-Ситтеровского пространства, которое не является пространством де Ситтера, описывающим нашу Вселенную, но физики надеются, что однажды они придут к двойственности, которая будет работать для обоих.
Если бы это произошло, идея могла бы помочь разработать теорию квантовой гравитации, которая объединила бы общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Это также означало бы, что наша Вселенная на самом деле является голограммой.
Происхождение голографии
При разработке дуальности Малдасена вдохновлялся работой, в частности, покойного физика-теоретика Джо Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Используя теорию струн, в которой реальность возникает из вибрации невероятно тонких струн, Полчински разработал теорию объектов в теории струн, называемых D-бранами, которые служат конечными точками для струн, которые не замкнуты сами на себя.
Малдасена рассмотрел конформную теорию поля, описывающую D-браны без гравитации, с одной стороны, и AdS-теорию с еще одним измерением пространства, но с гравитацией, с другой. Малдасена заметил сходство между двумя теориями. В частности, обе теории были инвариантны к масштабу, то есть физика систем, описанных теориями, не менялась по мере того, как системы становились больше или меньше.
Теория низших измерений также обладала дополнительной симметрией, называемой конформной инвариантностью, согласно которой физические законы не меняются при любых преобразованиях пространства-времени, сохраняющих углы. Теория AdS, описывающая те же объекты в присутствии гравитации, показала аналогичные симметрии. «То, что эти две [теории] имеют одинаковую симметрию, было важной подсказкой», — говорит Малдасена.
Важно отметить, что квантовая теория поля, описывающая D-браны, была сильно связанной: частицы и поля в теории сильно взаимодействовали друг с другом. Теория AdS была слабо связанной; здесь частицы и поля слабо взаимодействовали. Вскоре теоретики нашли обратные пары: низкоразмерная слабосвязанная КТП и ее многомерный сильносвязанный аналог AdS. Во всех случаях выполнение расчетов в слабосвязанной системе проще, но поскольку теории эквивалентны, результаты также можно использовать для понимания физики сильно связанной теории без необходимости выполнять более сложные и часто невозможные расчеты.
Малдасена описал свое открытие в статье, представленной в журнале International Journal of Theoretical Physics в ноябре 1997 года. Однако этой идее потребовалось некоторое время, чтобы усвоиться. Многие физики начали работать над тем, чтобы понять смысл двойственности. «Были сотни, тысячи статей, просто проверяющих [дуальность], потому что поначалу [казалось] настолько нелепым, что какая-то негравитационная квантовая теория может на самом деле быть тем же самым, что и гравитационная теория», — говорит Ван Рамсдонк. Но AdS/CFT выдержал проверку и вскоре стал использоваться для ответа на некоторые сбивающие с толку вопросы.
AdS/CFT доказывает свою полезность
Одно из первых применений AdS/CFT было связано с пониманием черных дыр. Теоретики уже давно боролись с парадоксом, вызванным этими загадочными космическими объектами. В 1970-х годах Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают тепловое излучение в форме частиц из-за квантово-механических эффектов вблизи горизонта событий.
В отсутствие падающей материи это «хокинговское» излучение привело бы к тому, что черная дыра в конечном итоге испарилась. Эта идея создала проблему. Что происходит с информацией, содержащейся в материи, образовавшей черную дыру? Информация утеряна навсегда? Такая потеря противоречила бы законам квантовой механики, гласящим, что информацию нельзя уничтожить.
Ключевая теоретическая работа, которая помогла ответить на этот вопрос, появилась в 2006 году, когда Синсей Рю и Тадаши Такаянаги использовали двойственность AdS/CFT для установления связи между двумя числами, по одному в каждой теории. Один относится к особому типу поверхности в пространстве-времени, описываемом AdS. Скажем, в теории AdS есть черная дыра. У него есть поверхность, называемая экстремальной поверхностью, которая является границей вокруг черной дыры, где пространство-время совершает переход от слабой к сильной кривизне (эта поверхность может находиться или не находиться внутри горизонта событий черной дыры). Другое число, относящееся к квантовой системе, описываемой КТП, называется энтропией запутанности и является мерой того, насколько одна часть квантовой системы запутана с остальными.
Результат Рю-Такаянаги показал, что площадь экстремальной поверхности черной дыры в AdS связана с энтропией запутанности квантовой системы в КТП.
Гипотеза Рю-Такаянаги обещала нечто заманчивое. По мере испарения черной дыры в AdS изменяется площадь ее экстремальной поверхности. Эта изменяющаяся область имитируется изменениями энтропии запутанности, вычисляемой в CFT. И как бы ни менялась запутанность, на голографической поверхности, описываемой КТП, система развивается по законам квантовой механики, поэтому информация никогда не теряется. Эта эквивалентность означает, что черные дыры в AdS также не теряют информацию.
Однако была заминка. Формула Рю-Такаянаги работает только при отсутствии квантовых эффектов в теории AdS. «И, конечно же, если черная дыра испаряется, она испаряется в результате небольших квантовых поправок», — говорит Энгельхардт. — Значит, мы не можем использовать Рю-Такаянаги.
В 2014 году Энгельхардт и Арон Уолл нашли способ рассчитать экстремальную площадь поверхности черной дыры, подверженной квантовым поправкам, вызывающим излучение Хокинга.
Затем в 2019 г., Энгельхардт и его коллеги, а также еще один исследователь независимо друг от друга показали, что площадь этих квантовых экстремальных поверхностей может быть использована для расчета энтропии запутанности излучения Хокинга в КТМ, и что эта величина действительно следует требованиям квантовой механики, согласующимся с отсутствие потери информации (также они обнаружили, что квантовая экстремальная поверхность лежит в пределах горизонта событий черной дыры). «Это, наконец, дало нам связь между чем-то геометрическим — этими квантовыми экстремальными поверхностями — и чем-то, что является лакмусовой бумажкой сохранения информации, то есть поведением энтропии [когда] информация сохраняется», — говорит Энгельхардт. «Без AdS/CFT я сомневаюсь, что мы пришли бы к таким выводам».
Эмерджентное пространство-время и квантовая запутанность
Связь между энтропией запутанности в CFT и геометрией пространства-времени в AdS привела к другому важному результату о природе нашего космоса, над которым работали Энгельхардт и его коллеги, а также Ван Рамсдонк и его коллеги.
. Этим дополнительным открытием является представление о том, что пространство-время на стороне AdS возникает из квантовой запутанности на стороне CFT — не только в черных дырах, но и во всей Вселенной. Эту идею лучше всего понять по аналогии. Представьте себе очень разбавленный газ из молекул воды. Физики не могут описать динамику этой системы с помощью уравнений гидродинамики, потому что разбавленный газ не ведет себя как жидкость. Предположим, что молекулы воды конденсируются в лужу жидкой воды. Теперь поведение тех самых молекул подчиняется законам гидродинамики. «Вы могли бы изначально спросить, а где же гидродинамика?» говорит Ван Рамсдонк. «Это просто не имело значения».
Нечто подобное происходит и в AdS/CFT. Что касается КТП, вы можете начать с квантовых подсистем — меньших подмножеств общей системы, которую вы описываете — каждая с полями и частицами без какой-либо запутанности. В эквивалентном описании AdS у вас будет система без пространства-времени. Без пространства-времени общая теория относительности Эйнштейна не имеет значения на данном этапе, во многом так же, как уравнения гидродинамики неприменимы к газу, состоящему из молекул воды.
Но когда запутанность на стороне КТП начинает увеличиваться, энтропия запутанности квантовых подсистем начинает соответствовать участкам пространства-времени, которые появляются в описании AdS. Эти патчи физически не связаны друг с другом: переход от патча A к патчу B невозможен без выхода из обоих патчей A и B; однако каждый отдельный участок можно описать с помощью общей теории относительности. Теперь еще больше увеличьте запутанность квантовых подсистем в КТП, и в AdS произойдет нечто интригующее: участки пространства-времени начнут соединяться, и в конечном итоге вы получите непрерывный объем пространства-времени. «Когда у вас есть правильный образец запутанности, вы начинаете получать пространство-время на другой стороне. Пространство-время почти как геометрическое представление запутанности», — говорит Ван Рамсдонк. «Уберите всю запутанность, и тогда вы просто устраните пространство-время». Энгельгардт соглашается. «Запутанность между квантовыми системами важна для существования и появления пространства-времени», — говорит она.
Двойственность предполагала, что пространство-время нашей физической вселенной может быть просто эмерджентным свойством какой-то лежащей в основе, запутанной части природы.
Ван Рамсдонк считает, что переписка AdS/CFT заставила физиков усомниться в самой природе пространства-времени. Если пространство-время возникает из степени и характера запутанности квантовой системы более низкого измерения, это означает, что квантовая система более «реальна», чем пространство-время, в котором мы живем, во многом так же, как двумерная открытка более реальна. чем трехмерная голограмма, которую он создает. «То, что [само пространство и геометрия пространства] должны иметь какое-то отношение к квантовой механике, просто шокирует», — говорит он.
На пути к теории квантовой гравитации
Как только пространство-время появляется в теории, физики могут использовать его для изучения аспектов нашей Вселенной. Например, считается, что наш космос экспоненциально расширялся в первые доли секунды своего существования, период, известный как инфляция.
В стандартной космологической модели теоретики начинают с пространства-времени, в котором частицы и поля взаимодействуют слабо, и допускают, чтобы инфляция продолжалась в течение примерно 50–60 « e крат», где каждое e -кратное представляет собой более чем удвоение объема пространства-времени (поскольку оно увеличивается в множителе постоянной Эйлера e, или приблизительно в 2,718). Такая инфляция может воспроизводить свойства наблюдаемой Вселенной, такие как ее плоскостность и изотропность (тот факт, что она выглядит одинаково во всех направлениях). Но нет особых оснований полагать, что инфляция остановится на уровне 60 e раз. Что, если будет продолжаться дольше? Оказывается, если физики разработают модели нашей Вселенной, в которых инфляция будет продолжаться, скажем, 70 e раз или больше, то начальное состояние Вселенной должно быть сильно связанным, в котором поля и частицы могут сильно взаимодействовать друг с другом. Таким образом, хотя модель, допускающая такое продолжительное расширение, была бы более общей, расчеты с участием сильно связанного пространства-времени почти невозможны.
«Но он идеально подходит для такого подхода AdS/CFT, — говорит Горациу Настасе из Международного государственного университета Сан-Паулу в Бразилии.
Нэстасе показал, как использовать дуальность AdS/CFT для изучения сильно связанного начального состояния Вселенной. Это возможно, потому что сторона CFT дуальности оказывается слабо связанной, что делает вычисления более удобными. Затем эти расчеты можно использовать для определения состояния AdS после, скажем, 70 с лишним 9 часов.0009 e -складки. Нэстасе обнаружил, что сильно связанное пространство-время, расширяющееся как минимум в 72 e раз, может воспроизвести некоторые наблюдения из нашего собственного космоса с некоторой тонкой настройкой параметров модели; в частности, модель может соответствовать типу флуктуаций, наблюдаемых в космическом микроволновом фоне, ископаемом излучении Большого взрыва. «Это постоянная работа, — говорит Нэстасе. «Есть ряд вопросов, которые пока не ясны».
Физики надеются, что такие идеи помогут им создать теорию квантовой гравитации для нашей вселенной, которая объединит общую теорию относительности с квантовой механикой.
Отсутствие такой теории — одна из самых больших открытых проблем в физике. Одно фундаментальное открытие из AdS/CFT, лежащее в основе всей такой работы, заключается в том, что любая теория квантовой гравитации, скорее всего, будет голографической, поскольку она будет иметь двойное описание в форме теории с одним измерением меньше, без гравитации.
Сообщество AdS/CFT усердно работает над тем, чтобы обобщить соответствие пространствам-временям, которые лучше отражают нашу вселенную. В AdS исследователи могут создать пространство-время с космическими составляющими, такими как черные дыры, но пространство-время должно быть «асимптотически пустым», что означает, что по мере удаления от черной дыры пространство становится пустым. «Описывая нашу собственную вселенную, мы предполагаем, что везде, насколько далеко вы идете, есть вещи», — говорит Ван Рамсдонк. «У вас никогда не закончатся галактики». Кроме того, в AdS пустое пространство имеет отрицательную кривизну, тогда как пустое пространство де Ситтера в нашей Вселенной в основном плоское.