Голограммы сохраняют всю трехмерную информацию об объекте, но на двухмерной поверхности. Может ли идея голографической Вселенной привести нас к более высоким измерениям?
Ключевые выводы
- Идея голограммы проста и глубока: мы можем закодировать трехмерную «световую карту» любого объекта на двухмерную поверхность, сохранив всю информацию в одном меньшем измерении.
- Наша истинная Вселенная, между тем, четырехмерна, с тремя измерениями пространства и одним измерением времени, но это не обязательно все, что есть; это только то, что мы можем воспринять и получить доступ.
- Если действительно существуют дополнительные измерения, может ли наша четырехмерная Вселенная быть просто голографической поверхностью, которая сохраняет информацию, присутствующую в истинном, большем количестве измерений? Это большая идея голографической вселенной.
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, есть ли в реальности нечто большее, чем то, что мы можем видеть, воспринимать, обнаруживать или иным образом наблюдать? Одной из самых интригующих, но спекулятивных идей физики 20-го и 21-го веков является представление о том, что наша Вселенная, которая, кажется, состоит из трех пространственных и одного временного измерения, может обладать дополнительными, дополнительными измерениями помимо тех, которые мы можем видеть. Первоначально независимо придуманная Теодром Калузой и Оскаром Кляйном в попытке объединить общую теорию относительности Эйнштейна с электромагнетизмом Максвелла, эта идея живет в современном контексте квантовой теории поля и особого расширения ее идей: теории струн.
Но при всей своей математической красоте и элегантности, имеет ли он какое-либо отношение к нашей физической Вселенной? Вот что написал наш сторонник Patreon Бенхед, который думал об этой недавней статье в New York Times:
«Я никогда не верил в голографию как в физическую концепцию. Я даже не уверен, насколько хорошо это работает как математическая абстракция… по аналогии я думал, что мы были изображением, но «реальным» был фильм».
Идее о том, что Вселенная является голограммой, также известной как голографический принцип или голографическая Вселенная, уже более 20 лет, но она остается столь же любопытной и столь же проблематичной, как и прежде. Вот обзор концепции.
Эта голограмма двойной спирали молекулы ДНК проецируется с помощью зеркал, отображая истинное трехмерное изображение под любым углом. Это связано с тем, что с помощью когерентного света можно создать карту светового поля объекта и закодировать ее на плоской поверхности.
Что такое обычная голограмма?
Если вы когда-либо видели голограмму, вы действительно видели чудесное применение оптического поведения света. Напечатанная на двухмерной поверхности голограмма - когда она правильно отражает свет - показывает вам не стандартное двумерное изображение, которое вы обычно видите, а полностью трехмерное изображение. Мало того, что третье измерение, глубина, может быть легко воспринято вашими глазами, но когда вы меняете угол обзора по отношению к голограмме, относительное расстояние от вашего глаза до различных частей закодированного голографического изображения также меняется соответственно..
Похоже, что за «поверхностью» голограммы существует полностью трехмерный мир, и вы можете видеть его детали так же отчетливо, как трехмерный мир, отраженный в зеркало.
Это связано с тем, что голограмма - это не просто статическое изображение, а скорее «световая карта» трехмерного объекта/обстановки, которая использовалась при создании самой голограммы. Создание голограммы само по себе является поучительным взглядом на то, как свет, оптика и физика объединяются, чтобы закодировать многомерный набор информации на низкомерной поверхности.
Хотя фотография кодирует изображение трехмерного мира на двухмерную поверхность, трехмерная информация о глубине сглаживается и теряется. Разница между фотографией и голограммой заключается не только в световом изображении, но и в световом поле, закодированном и нанесенном на поверхность более низкого измерения.
Фотография, в отличие от голограммы, работает очень просто. Возьмите свет, излучаемый или отраженный от объекта, сфокусируйте его через линзу и запишите на плоской поверхности. Это не только то, как работает фотография, но и то, как вы физически видите объекты биологически, поскольку хрусталик в вашем глазном яблоке фокусирует свет на сетчатке, где палочки и колбочки на задней части вашего глаза записывают его, отправляют в ваш мозг и там он обрабатывается в изображение.
Но, используя когерентный свет, например, от лазера, и специальную эмульсию на записывающей поверхности, вы больше не ограничены записью светового изображения, а скорее можете записывать и создавать карта всего светового поля. Часть информации, закодированной в световом поле, представляет собой трехмерное положение каждого объекта на изображении, включая такие характеристики, как:
- вариации плотности,
- текстуры,
- непрозрачность,
- и относительное расстояние.
Все эти свойства закодированы в световом поле и достоверно записаны на поверхности двумерной голограммы. Когда эта поверхность будет должным образом освещена, она покажет любому наблюдателю полный набор записанной трехмерной информации, причем со всех возможных точек зрения, с которых ее можно будет увидеть. Напечатав это двумерное световое поле/карту на металлической пленке, вы можете создать обычную голограмму.
Эта фотография голограммы в музее Массачусетского технологического института выглядит как трехмерный объект, но представляет собой всего лишь двухмерное световое поле, закодированное на поверхности голограммы. Голограммы - это поверхности более низкого измерения, которые кодируют информацию обо всем объекте более высокого измерения в пространстве более высокого измерения. Идея голографического принципа заключается в том, что наша Вселенная и описывающие ее законы теории квантового поля являются поверхностью многомерного пространства-времени, включающего квантовую гравитацию.
Есть ли другие физические приложения этой идеи?
Большая идея голограммы на самом деле вездесуща в физике: представление о том, что вы можете исследовать низкомерную поверхность и получить не только существенную информацию о многомерной реальности, которая закодирована на ней, но полная информация, которая раскрывает вам полный набор физических свойств, касающихся этой многомерной реальности. Суть в том, чтобы поверхность нижнего измерения служила границей вашего пространства высшего измерения; если вы можете оба:
- понимать законы, управляющие вашим многомерным пространством,
- и измерить достаточное количество свойств, закодированных на поверхности, ограничивающей это пространство,
вы сможете полностью сделать выводы о точном физическом состоянии внутри этой области.
Вы можете добиться этого, например, в электромагнетизме, измерив любое из трех свойств на поверхности, окружающей область: с граничными условиями Дирихле, Неймана или Робина. Вы можете сделать что-то подобное в общей теории относительности, но с той оговоркой, что если вы не имеете дело с замкнутым пространственно-временным многообразием, вы должны добавить дополнительный граничный член. Во многих областях физики, если вы знаете законы, управляющие границей и областью пространства, которую она заключает, простое измерение достаточного количества свойств, закодированных на границе, позволяет вам определить полный набор физических свойств, описывающих внутреннюю часть.
Этот набор радиочастотных полостей в линейном ускорителе в Австралии состоит из очень сложной электромагнитной установки. Если бы вы нарисовали воображаемую двумерную границу вокруг какой-либо области внутри или снаружи этой полости, информация, закодированная на поверхности, если бы вы достаточно ее измерили, могла бы рассказать вам, что происходит в объеме внутри этой границы..
Этот тип анализа применим даже к черным дырам, хотя они когда-либо проверялись только в квантово-аналоговых системах, поскольку нам еще предстоит измерить черную дыру достаточно точно, чтобы проверить эту идею. Теоретически всякий раз, когда отдельные кванты падают в черную дыру - а помните, что черные дыры - это фундаментальные сущности, существующие в нашей Вселенной с тремя пространственными измерениями, - они переносят всю квантовую информацию, которой они ранее обладали, в черную дыру.
Но когда черные дыры распадаются, что они делают посредством испускания излучения Хокинга, испускаемое излучение должно просто обладать спектром абсолютно черного тела без памяти о таких вещах, как масса, заряд, спин, поляризация., или барионное/лептонное число квантов, пошедших на их создание. Это неконсервативное свойство известно как информационный парадокс черной дыры, при этом единственные две реалистичные возможности заключаются в том, что либо информация в конце концов не сохраняется, либо информация должна каким-то образом вырваться из когтей черной дыры в процессе испарения.
Возможно, даже вероятно, что существует двумерная поверхность либо на горизонте событий, либо внутри него, где сохраняется вся информация, которая вошла в черную дыру и излучалась прочь. Вполне возможно, что голографический принцип, примененный к черным дырам, действительно может решить информационный парадокс черных дыр, сохраняя при этом унитарность (идею о том, что сумма вероятностей всех возможных результатов должна равняться 1).
На поверхности черной дыры могут быть закодированы биты информации, пропорциональные площади поверхности горизонта событий. Когда черная дыра распадается, она переходит в состояние теплового излучения. Сохранится ли эта информация и будет ли она закодирована в излучении или нет, и если да, то каким образом, - это не вопрос, на который наши современные теории могут дать ответ.
Является ли наша Вселенная голографической по своей природе?
Теперь мы находимся в том, что кажется нам четырехмерным пространством-временем: с тремя пространственными и одним временным измерением. Но что, если это не отражает полной картины реальности; а если есть:
- больше измерений,
- которые нам просто недоступны,
- и что то, что мы воспринимаем как нашу четырехмерную Вселенную, на самом деле является границей многомерной сущности, которая каким-то образом представляет нашу «истинную» Вселенную?
Это дикая идея, но она уходит своими корнями в, казалось бы, несвязанную дисциплину: теорию струн.
Теория струн выросла из предложения - струнной модели - для объяснения сильных взаимодействий, поскольку было известно, что внутренности протонов, нейтронов и других барионов (и мезонов) имеют составную структуру. Однако он дал целую кучу бессмысленных предсказаний, которые не соответствовали экспериментам, включая существование частицы со спином 2. Но люди признали, что если поднять эту шкалу энергии вверх, в сторону шкалы Планка, струнная структура может объединить известные фундаментальные силы с гравитацией, и так родилась Теория струн.
Идея о том, что силы, частицы и взаимодействия, которые мы наблюдаем сегодня, являются проявлениями единой всеобъемлющей теории, привлекательна и требует дополнительных измерений и множества новых частиц и взаимодействий. Существует множество таких математических конструкций, которые можно исследовать, но без физической Вселенной, с которой мы могли бы ее сравнить, мы вряд ли узнаем что-то значимое о нашей Вселенной.
Особенностью (или недостатком, в зависимости от того, как на это посмотреть) этой попытки «святого Грааля» физики является то, что она абсолютно требует большого количества дополнительных измерений. Таким образом, возникает большой вопрос, как мы можем получить нашу Вселенную, имеющую всего три пространственных измерения, из теории, которая дает нам много других? И какая теория струн, поскольку существует много возможных реализаций теории струн, является правильной?
Возможно, осознание идет, множество различных моделей и сценариев теории струн, которые существуют, на самом деле являются различными аспектами одной и той же фундаментальной теории, рассматриваемой с разных точек зрения. В математике две системы, которые эквивалентны друг другу, известны как «дуальные», и одно удивительное открытие, связанное с голограммой, состоит в том, что иногда две системы, которые дуальны друг другу, имеют разное число измерений.
Причина, по которой физиков это так взволновало, заключается в том, что в 1997 году физик Хуан Малдасена предложил соответствие AdS/CFT, в котором утверждалось, что наша трехмерная (плюс время) Вселенная с ее квантовыми теориями поля, описывающими элементарные частиц и их взаимодействий, было двойственно многомерному пространству-времени (пространство анти-де Ситтера), которое играет роль в квантовых теориях гравитации.
Идея о том, что пространство более высокой размерности, часто называемое балком, математически эквивалентно пространству более низкой размерности, которое определяет границу балка, известному как брана, является основной идеей в корень переписки AdS/CFT. Здесь показан низкомерный аналог отношения 5-к-4-мерию, полученный Хуаном Малдасеной в 1997 году.
В течение последних 25 лет физики и математики исследовали это соответствие в меру своих возможностей, и оказалось, что оно было успешно применено к ряду конденсированных сред и физических систем твердого тела. Однако, что касается приложений ко всей нашей Вселенной и, в частности, к структуре, где мы должны иметь как минимум 10 измерений (как того требует теория струн), мы сталкиваемся со значительным набором проблем, которые не так просто решить..
Во-первых, мы совершенно уверены, что не живем в пространстве анти-де Ситтера, потому что мы измерили эффекты темной энергии, и эти эффекты показывают нам, что расширение Вселенной ускоряется. способом, который согласуется с положительной космологической постоянной. Пространство-время с положительной космологической постоянной выглядит как пространство де Ситтера и, в частности, не как пространство анти-де Ситтера, которое имело бы отрицательную космологическую постоянную. С математической точки зрения, из-за ряда проблем (таких как проблема зарождения/перколяции пузырьков), которые возникают в пространстве де Ситтера, а не в пространстве анти-де Ситтера, мы не можем построить такое же соответствие.
Струнный пейзаж может быть увлекательной идеей, полной теоретического потенциала, но он не может объяснить, почему значение такого точно настроенного параметра, как космологическая постоянная, начальная скорость расширения или полная энергия плотность имеют значения, которые они делают. Одним из наиболее важных недостатков соответствия AdS/CFT является то, что AdS означает пространство анти-де Ситтера, которое требует отрицательной космологической постоянной. Однако наблюдаемая Вселенная имеет положительную космологическую постоянную, что подразумевает пространство де Ситтера; нет эквивалентного соответствия dS/CFT.
Во-вторых, единственная обнаруженная нами двойственность связывает свойства многомерного пространства с его границей более низкого измерения: уменьшение размерности на единицу. Двумерные голограммы могут кодировать только трехмерную информацию; четырехмерные конформные теории поля (CFT), которые являются частью соответствия AdS/CFT, применимы только к пятимерным пространствам анти-де Ситтера. Вопрос о компактификации - о том, как вообще получить не более пяти измерений - остается без ответа.
Однако есть еще один аспект соответствия AdS/CFT, который многие находят убедительным. Конечно, эти две проблемы реальны: у нас неправильный знак космологической постоянной и неправильное число измерений. Однако, когда два пространства разных измерений математически двойственны друг другу, иногда можно получить больше информации о многомерном пространстве, чем вы могли подумать. Конечно, на границе меньшего измерения поверхности доступно меньше информации, чем внутри объема полного пространства, заключенного в поверхность. Это означает, что когда вы измеряете одну вещь, происходящую на поверхности границы, вы можете в конечном итоге узнать множество вещей, происходящих внутри большего многомерного объема.
Идею о том, что два кванта могут быть мгновенно запутаны друг с другом, даже на больших расстояниях, часто называют самой жуткой частью квантовой физики. Если бы реальность была фундаментально детерминирована и управлялась скрытыми переменными, эту призрачность можно было бы устранить. К сожалению, все попытки покончить с этим типом квантовой странности потерпели неудачу, с такими предположениями, как соответствие AdS/CFT, которые могут включать лежащую в основе объективную реальность, и все они требуют чего-то экзотического и недоказанного, такого как обращение к дополнительным измерениям.
Одна невероятная возможность, потенциально связанная с Нобелевской премией по физике 2022 года за квантовую запутанность, заключается в том, что что-то, происходящее в многомерном пространстве, может в конечном итоге связать две несопоставимые, кажущиеся несвязанными области вдоль границы более низкого измерения.. Если вас беспокоит представление о том, что измерение одной запутанной частицы дает вам информацию о другой запутанной паре мгновенно, как будто связь происходит быстрее скорости света, голографический принцип может быть вашей лучшей надеждой на физически укоренившуюся теорию. спаситель.
Тем не менее, последние 25 лет, возможно, не приблизили нас к обнаружению дополнительных измерений, пониманию того, имеют ли они отношение к нашей реальности, или к каким-либо важным теоретическим открытиям, которые помогут нам лучше понять наши собственные. Вселенная. Двойственность, однако, нельзя отрицать: это математический факт. Соответствие AdS/CFT по-прежнему будет интересным с математической точки зрения, но с ним связаны две основные проблемы:
- что он выдает явно неверный знак темной энергии,
- и что он работает только для пяти измерений, а не для десяти (или более), необходимых для теории струн,
вырисовываются и остаются без внимания. Идея о том, что Вселенная - это голограмма, известная как голографическая Вселенная, действительно может когда-нибудь привести нас к квантовой гравитации. Однако, пока эти головоломки не будут решены, невозможно предугадать, как мы туда доберемся.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!