Вселенная — гигантская голограмма?
Научный эксперимент немецких ученых под названием GEO600 по поиску гравитационных волн, который длится вот уже семь лет, привел к неожиданным результатам, сообщает журнал New Scientist.
С помощью специального прибора — интерферометра — физики собирались научно подтвердить один из выводов теории относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, во Вселенной существуют так называемые гравитационные волны — возмущения гравитационного поля, «рябь» ткани пространства-времени.
Распространяясь со скоростью света, гравитационные волны предположительно порождают неравномерные движения масс крупных астрономических объектов: образование или столкновения черных дыр взрыв сверхновых и т.п.
Ненаблюдаемость гравитационных волн наука объясняет тем, что гравитационные воздействия слабее электромагнитных. Ученые, затеявшие свой эксперимент в далеком 2002 году, предполагали обнаружить эти гравитационные волны, которые впоследствии могли бы стать источником ценной информации о так называемой темной материи, из которой в основном и состоит наш Вселенная.
До сих пор GEO600 не удавалось обнаружить гравитационные волны, однако, судя по всему, ученым с помощью прибора удалось сделать крупнейшее за последние полвека открытие в области физики.
В течение многих месяцев специалисты никак не могли объяснить природу странных шумов, мешающих работе интерферометра, пока внезапно объяснение не предложил ученый-физик из научной лаборатории Fermilab .
Согласно предположению Крейга Хогана, аппарат GEO600 столкнулся с фундаментальной границей пространственно-временного континуума — точкой, в котором пространство-время перестает быть сплошным континуумом, описанным Эйнштейном, и распадается на «зерна», словно фотография, увеличенная в несколько, превращается в скопление отдельных точек.
«Похоже, что GEO600 наткнулся на микроскопические квантовые колебания пространства-времени», — предположил Хоган.
Если эта информация кажется вам недостаточно сенсационной, послушаем дальше: «Если GEO600 наткнулся на то, что я предполагаю, это означает, что мы живем в гигантской космической голограмме».
Сама идея того, что мы живем в голограмме, может показаться нелепой и абсурдной, однако она — лишь логическое продолжение нашего понимания природы черных дыр, основанного на вполне доказуемой теоретической базе.
Как ни странно, «теория голограммы» существенно помогла бы физикам наконец объяснить, как устроена Вселенная на фундаментальном уровне.
Привычные нам голограммы (как, к примеру, на кредитках) наносятся на двухмерную поверхность, которая начинает казаться трехмерной при попадании на нее луча света под определенным углом.
В 1990-х годах лауреат Нобелевской премии по физике Герардт Хуфт из Утрехтского университета (Нидерланды) и Леонард Зусскинд из Стэнфордского университета (США) предположили, что схожий принцип может быть применен ко Вселенной в целом. Наше ежедневное существование само по себе может являться голографической проекцией физических процессов, которые происходят в двухмерном пространстве.
В «голографический принцип» структуры Вселенной очень трудно поверить: сложно вообразить, что вы просыпаетесь, чистите зубы, читаете газеты или смотрите телевизор только потому, что где-то на границах Вселенной столкнулись между собой несколько гигантских космических объектов.
Никто пока не знает, что для нас будет означать «жизнь в голограмме», однако физики-теоретики имеют множество причин считать, что отдельные аспекты голографических принципов функционирования Вселенной — реальность.
Выводы ученых основываются на фундаментальном изучении свойств черных дыр, которые проводились знаменитым физиком-теоретиком Стивеном Хокингом совместно с Роджером Пенроузом.
В середине 1970-х годов ученый изучал фундаментальные законы, которые управляют Вселенной и показал, что из теории относительности Эйнштейна следует такое пространство-время, которое начинается в Большом Взрыве и заканчивается в черных дырах.
Эти результаты указывают на необходимость объединения изучения теории относительности с квантовой теорией. Одним из следствий такого объединения является утверждение, что черные дыры на самом деле не совсем «черные»: на самом деле они испускают излучение, которое приводит к их постепенному испарению и полному исчезновению.
Таким образом, возникает парадокс, названный «информационным парадоксом черных дыр»: сформировавшаяся черная дыра теряет массу, излучая энергию. Когда черная дыра исчезает, вся поглощенная ей информация утрачивается. Однако, согласно законам квантовой физики, информация не может быть утрачена полностью.
Контраргумент Хокинга: интенсивность гравитационных полей черных дыр непонятным пока образом соответствует законам квантовой физики. Коллега Хокинга, физик Бекенштейн, выдвинул важную гипотезу, которая способствует разрешению этого парадокса.
Он высказал гипотезу, что черная дыра обладает энтропией, пропорциональной площади поверхности ее условного радиуса. Это некая теоретическая площадь, которая маскирует черную дыру и отмечает точку невозвращения материи или света. Физики-теоретики доказали, что микроскопические квантовые колебания условного радиуса черной дыры могут кодировать информацию, находящуюся внутри черной дыры таким образом потери информации, находящейся в черной дыре в момент ее испарения и исчезновения, не происходит.
Таким образом, можно предположить, что трехмерная информация об исходном веществе может быть полностью закодирована в двухмерный радиус образовавшейся после ее гибели черной дыры, примерно как трехмерное изображение объекта кодируется с помощью двухмерной голограммы.
Зускинд и Хуфт пошли еще дальше, применив эту теорию к структуре Вселенной, основываясь на том, что космос также обладает условным радиусом — граничной плоскостью, за пределы которой свет еще не успел проникнуть за 13, 7 млрд. лет существования Вселенной.
Более того, Хуан Малдасена, физик-теоретик из Принстонского университета, сумел доказать, что в гипотетической пятимерной Вселенной будут действовать те же физические законы, что и в четырехмерном пространстве.
Согласно теории Хогана, голографический принцип существования Вселенной радикально меняет привычную нам картину пространства-времени. Физики-теоретики долгое время считали, что квантовые эффекты способны заставить пространство-время хаотично пульсировать в ничтожных масштабах.
При таком уровне пульсации ткань пространственно-временного континуума становится «зернистой» и словно сделанной из мельчайших частиц, похожих на пиксели, только в сотни миллиардов миллиардов раз меньше протона. Это мера длины известна как «планковская длина» и являет собой цифру 10-35 м.
В настоящее время фундаментальные физические законы проверены опытным путём до расстояний 10-17 , и Планковская длина считалась недостижимой, до тех пор пока Хоган не осознал, что голографический принцип меняет все.
Если пространственно-временной континуум представляет собой зернистую голограмму, тогда Вселенную можно представить как сферу, внешняя поверхность которой покрыта мельчайшими поверхностями длиной 10-35 м, каждая из которой несет в себе частичку информации.
Голографический принцип гласит, что количество информации, покрывающей внешнюю часть сферы-Вселенной должно совпадать с количеством битов информации, содержащейся внутри объемной Вселенной.
Поскольку объем сферической Вселенной гораздо больше, чем вся ее внешняя поверхность, возникает вопрос, как возможно соблюсти этот принцип? Хоган предположил, что биты информации, из которых состоит «внутренность» Вселенной, должны иметь размеры большие, чем Планковская длина. «Иными словами, голографическая Вселенная похожа на нечеткую картинку», — говорит Хоган.
Для тех, кто занимается поиском мельчайших частиц пространства-времени это хорошая новость. «В противоположность всеобщим ожиданиям, микроскопическая квантовая структура вполне доступна для изучения», — отметил Хоган.
В то время как частицы, размеры которых равны Планковской длине, невозможно обнаружить, голографическая проекция этих «зерен» равна приблизительно 10-16 м. Когда ученый сделал все эти выводы, он задумался над тем, возможно ли экспериментальным путем определить эту голографическую размытость пространства-времени. И тут на помощь пришел GEO600.
Приборы вроде GEO600, способные к обнаружению гравитационных волн, работают по следующему принципу: если сквозь него проходит гравитационная волна, он растянет пространство в одном направлении и сожмет его в другом.
Для измерения волны ученые направляют лазерный луч через специальное зеркало, называемое «разделителем лучей». Оно делить лазерный луч на два луча, которые проходят сквозь 600-метровые перпендикулярные стержни и возвращаются обратно.
Вернувшиеся назад лучи вновь соединяются в один и создают интерференционную картину светлых и темных участков, где световые волны либо пропадают, либо усиливают друг друга. Любое изменение в позиции этих участков указывает на то, что относительная длина стержней изменилась. Экспериментальным образом можно обнаружить изменения длины меньше диаметра протона.
Если прибор GEO600 действительно обнаружил голографический шум от квантовых колебаний пространства-времени, он станет для исследователей палкой о двух концах: с одной стороны, шум станет помехой для их попыток «поймать» гравитационные волны.
С другой стороны, это может означать, что исследователям удалось сделать гораздо более фундаментальное открытие, чем предполагалось вначале. Впрочем, наблюдается некая ирония судьбы: прибор, сконструированный для того, чтобы улавливать волны, являющиеся следствием взаимодействия крупнейших астрономических объектов, обнаружил нечто столь микроскопическое, как «зерна» пространства-времени.
Чем дольше ученые не могут разгадать тайну голографического шума, тем острее встает вопрос о проведении дальнейших исследованиях в этом направлении. Одной из возможностей для исследований может стать конструирование так называемого атомного интерферометра, принцип работы которого схож с GEO600, однако вместо лазерного луча будет использоваться низкотемпературный поток атомов.
Что будет означать для человечества обнаружение голографического шума? Хоган уверен, что человечество находится в шаге от обнаружения кванта времени. «Это — мельчайший из возможных интервалов времени: Планковская длина, деленная на скорость света», — говорит ученый.
Впрочем, больше всего возможное открытие поможет исследователям, пытающимся объединить квантовую механику и гравитационную теорию Эйнштейна. Наибольшей популярностью в научном мире пользуется теория струн, которая, как полагают ученые, поможет описать все происходящее во Вселенной на фундаментальном уровне.
Хоган согласен с тем, что если голографические принципы будут доказаны, то ни один подход к изучению квантовой гравитации отныне не будет рассматриваться вне контекста голографических принципов. Напротив, это станет толчком к доказательствам теории струн и теории матрицы.
«Возможно, в наших руках первые свидетельства того, как пространство-время следует из квантовой теории», — отметил ученый.