Всесвіт - не голограма

Всесвіт не голограма

Можливо, фізики скоро зможуть запропонувати нам картину світу, яка не зламає наш мозок

На різні наукові відкриття громадська думка реагує з різною швидкістю. Якщо, наприклад, вчені доведуть, що від орального сексу волосся втрачає свій блиск і еластичність, відповідні заголовки з'являться на новинних порталах буквально на наступний день. Але що легко спалахнуло - швидко згоряє: вже через пару днів публіка втратить до новини будь-який інтерес. Мовляв, нічого страшного, ті ж вчені якось розберуться, додадуть чогось такого в шампунь, щоб наукове відкриття не загрожувало звичному балансові повсякденного життя.

Але чим нудніша і мудріша область науки, чим далі вона від повсякденних турбот і сподівань простої людини, тим більше часу потрібно пресі, щоб відреагувати на новину. Граничний випадок - теоретична фізика. Розрахує теоретик що-небудь отаке - а ніхто і не зрозумів, що, власне, сталося. Може, він там у формулі взагалі переплутав синус з косинусом. Спершу йому треба привернути увагу своїх божевільних колег-фізиків, щоб вони зрозуміли, про що він тлумачить, перевірили всі викладки, кілька разів облаяли один одного «зарозумілими невігласами». Дай бог через пару років замерехтить розуміння. Тільки потім, поступово, новина приверне увагу журналістів. І тоді вони нарешті напишуть про сенсаційне відкриття.

При цьому, звісно, все на світі перебрехавши і заплутавши.

Саме це ми і маємо намір зараз виконати.

Відкриття, про яке піде мова, зроблено в далекому 2013 році. Але тодішню статтю, написану Леонардом Сасскінд і Хуаном Малдасеною, мало хто міг зрозуміти, окрім жменьки їхніх колег. Справа трохи зрушила минулої весни, коли Сасскінд прочитав вельми зрозумілу лекцію в Стенфорді. А тепер, коли Малдасена виклав історію в Scientific American для зовсім вже дрімучих профанів, весь світ запідозрив, що фізики і справді напали на слід якоїсь дуже важливої ​​таємниці Всесвіту. Тут настала і наша черга познайомити читачів з цієї темою гарячих суперечок.

За нашою традицією, щоб відразу відлякати самих поверхневих і непосидючих читачів, почнемо зовсім здалеку.

Нечесна перевага Ейнштейна

Моцарт, звичайно, великий композитор, але якби він відразу після «Реквієму» написав «Апасіонату», симфонічну поему «Влтава» та балет «Петрушка», було б, погодьтеся, нечесно: Бетховену, Сметані і Стравінському майже нічого б не залишилося складати . Однак у фізиці як раз подібна незручність і сталася.

Сучасна фізика, по суті, складається з квантової механіки і теорії відносності. Теорію відносності в 1904-1918 рр. придумав Альберт Ейнштейн. Одна з перших цеглинок квантової механіки - пояснення фотоефекту, за яке нобелівську премію отримав знову ж Ейнштейн. Потім, звичайно, Шредінгер, Бор і Гейзенберг зробили величезну кількість чорної роботи, але невже важко було відкласти для когось з них і ту першу квантову нобелевку? Чому одним все, а іншим нічого?

Далі - гірше. Протягом ХХ (20) століття фізика вишикувалась в досить струнку будівлю. Однак в ньому був нестерпний конструктивний дефект: дві його основні частини, квантова механіка і теорія відносності, категорично не пасували один одному. При тому, що обидві вони беруть витоки в одній і тій же голові Ейнштейна, це виглядає, як самий безглуздий жарт. Ну, якщо вже людина займалася по парних однією теорією, а по непарних іншою, що йому варто було ще трохи напружитися і якось їх узгодити? Але ні, не вийшло.

Потім - ще одна гримаса долі. У 1935 році, коли і квантовою теорією, і ОТО (загальною теорією відносності) вже займалися сотні фізиків, той же Ейнштейн написав дві статті. Одній з них, написаній у співавторстві з Подільським і Розеном, судилося стати найцитованішаною статтею в історії фізики (по імені авторів вона відома як EPR). У ній Ейнштейн описав парадокс, що породжується, на його думку, квантовою механікою: дві частки, народжені в результаті деяких процесів, виявляються «заплутаними», тобто будь-яка з них миттєво реагує на зміну (точніше, на вимір) стану іншої незалежно від відстані, яка їх розділяє. Ейнштейн назвав це «зловісною дією на відстані» - через такі жарти він, здається, до кінця життя так і не полюбив їм же придуману квантову механіку.

Інша стаття, написана в співавторстві знову ж з Розеном, увійшла в історію як ER і розглядає один забавний наслідок теорії відносності: дві чорні діри, виявляється, можуть бути з'єднані своєрідним просторово-часовим тунелем, відомим як «кротова нора». Чи є на світі такі нори чи ні, але теорія відносності їх не забороняє.

Чи варто говорити, що і заплутані частки, і кротові нори отримали в науково-популярних книжках найширше паблісіті. На перших заснована квантова телепортація, на других - всякі фантастичні машини часу і хитрі пристосування для миттєвих міжзоряних перельотів. Тобто дві головні науково-популярно-фантастичні фішки ХХ століття - теж справа рук Ейнштейна, причому породив він їх практично одночасно.

Останнього виверту фортуни залишалося чекати ще 80 років. Нарешті, в 2013 році Сасскінд і Малдасена показали, що квантова заплутаність і кротові нори - це, по суті, одне і те ж. Свою ідею автори коротко охреслили формулою ER = EPR, якраз за скороченими назвами тих самих ейнштейнівських статей 1935 р. Прочитавши їх роботу, фізики стали все сміливіше заговорювати про те, що, можливо, тут-то і лежить шлях до узгодження квантової теорії і релятивізму - і, як наслідок, приведення всієї фізики до єдиного стрункого вигляду.

До чого тут голограми

Перший невиразний натяк на те, що у квантової механіки і ОТО може бути щось спільне, прийшов в 1998 році. Чи не занадто відомий аргентинський фізик Хуан Малдасена зробив доповідь, з якої випливало, що в математичних розрахунках формули квантової механіки можна замінити на формули релятивістські - треба тільки додати просторові ще один вимір. Цей фокус назвали AdS-CFT-еквівалентність (AdS - це такий особливий «простір анти-де Сіттера», до якого призводить теорія Ейнштейна в порожньому просторі, а CFT - конформна теорія поля, штука безпросвітньо квантова). Розрахунки це сильно спрощувало, але що все це означає, ніхто толком не розумів.

Одне з видінь таке: ми живемо в тривимірному світі, де тіла притягують один одного, маси викривляють простір і відбувається вся інша ейнштейнівська дурниця. Однак щоб описати цю нісенітницю, досить розглянути квантові поля на віддаленому кордоні - свого роду зовнішній оболонці цього світу. На цій тонкій плівці ніякої гравітації немає, там відбувається (математично) щось зовсім інше. І це «інше» породжує всю видимість нашого тривимірного світу.

У цій картинці багато шито білими нитками, але громадськості вона відразу сподобалася. Який хороший спосіб розправитися з усіма складнощами нашого світу - просто вважати, що насправді ніякого світу немає! Є дивний візерунок на його поверхні, який, як в голографії, породжує всю цю видимість. А раз все тільки видимість - то нехай в ній розбираються божевільні теоретики, а нам з цим Всесвітом і так все ясно: його просто немає.

Статті з назвами «Наш світ - це голограма» почали розповзатися по науково-популярним виданням. Розповзалися вони ривками, отримуючи новий імпульс кожен раз, коли фізикам вдавалося зробити який-небудь новий цікавий розрахунок на основі AdS-CFT-еквівалентності. Розрахунків таких було чимало, і за півтора десятиліття теоретики непогано набили руку в тому, щоб стрибати від тензорних рівнянь ЗТВ до квантових полів і назад - а простий обиватель в черговий раз читав в розділі «Наука» не надто виразне лопотіння про голограми.

Тим часом Леонард Сасскінд крім інших своїх справ сперечався зі Стівеном Хокінгом про всякі парадокси чорних дір. Про це він написав чудову книжку «Битва при чорній дірі», завдяки якій і став відомий профанній публіці. За передісторією питання (з його боку) відсилаємо читача до цієї книги.

А потім одного разу Сасскінд забалакався з Хуаном Малдасеною про різні фізичні різнощі, що і призвело до появи тієї самої статті 2013 року.

Що зробили Сасскінд і Малдасена

Ну, звичайно, не одні вони. Як тільки у фізиків з'явився такий чудовий інструмент, як AdS-CFT - тобто можливість іноді підміняти квантову механіку теорією відносності і навпаки, - багатьом стало цікаво, чому ж саме відповідають ті чи інші елементи цієї самої квантової механіки. Про одну спробу в цьому розібратися ми тут якось писали: канадський фізик Ван Рамсдонк виявив, що квантова заплутаність може відповідати такій фундаментальній властивості класичного світу, як зв'язність (тобто, просто кажучи, геометрія) простора-часу. Дуже важливе спостереження - шкода, що не дуже зрозуміле.

Але на Малдасену і Сасскінд велике враження справила інша робота: якийсь парадокс, що виникає, коли квантово-заплутані штуки опиняються всередині чорної діри. Вони взялися розібратися в цьому парадоксі. А розібравшись, написали свою статтю.

Якщо говорити зовсім вже просто, там мова ось про що. Уявімо собі двох спостерігачів - Малдасена для ясності назвав їх Ромео і Джульєтою - яких доля безжально рознесла на величезну відстань. На щастя, у кожного з них було по мішку квантово-заплутаних часток. Зазвичай в популярних статтях наші герої почали б вимірювати стани своїх часток, і виявилося б, що варто Ромео щось виміряти, як частка в мішку у Джульєти негайно набуває строго певної характеристики. На цьому заснована квантова телепортація. Коханцям, напевно, приємно було б усвідомлювати цей невидимий зв'язок, але спілкуватися, тобто миттєво передавати інформацію, вони таким чином не зможуть, принцип причинності заважає.

Зате вони можуть зробити щось цікавіше. Ромео і Джульєта починають будувати зі своїх заплутаних часток дві віддалені чорні дірки. Нарешті робота закінчена. Помилувавшись на новенькі діри, що м'яко виблискують хокінговим випромінюванням, коханці вниз головою кидаються туди - кожен в свою дірку ...

... І там відбувається радісна зустріч! Тому що у двох дірок, побудованих в різних місцях з заплутаних часток, буде загальне нутро. Тобто зовні це різні дірки, а всередині - одна і та ж.

Саме цей результат отримали Малдасена і Сасскінд. А якщо точніше, отримали вони ось що: математичний опис квантової заплутаності в чорних дірах виявився еквівалентним тому самому рішенню Ейнштейна-Розена, яке описує кротові нори. Тобто принаймні в конкретному випадку квантова заплутаність і просторово-часовий тунель описуються однією і тією ж математикою. А значить, це просто одне й те саме явище.

Цю властивість фізичних рівнянь теоретики назвали ER = EPR в честь тих давніх статей Ейнштейна. Виявилося, що два фізичних феномена, що спантеличили Ейнштейна в 1935 році - причому одне з них його, здається, заінтригувало, а друге не на жарт роздратувало - виявилися одним і тим самим явищем.

Що все це означає

Кротова нораСтрого кажучи, результати Малдасени і Сасскінд відносяться до одного конкретного випадку: коли заплутані частки перетинають горизонт подій. Однак багато хто якось відразу подумали, що це, швидше за все, окремий випадок загального правила: там, де є квантова заплутаність, є і кротова нора. А це значить, що нарешті-то намітився шлях узгодження квантової теорії і релятивізму, двох головних інтелектуальних дітищ Альберта Ейнштейна. Ця історія страшно надихнула фізиків. Приміром, виник проект It from Qubit, учасники якого поставили перед собою амбітне завдання: показати, як саме простір-час виникає з заплутаних станів квантових бітів інформації.

Просту людину з народу, на кшталт нас з вами, фізика цікавить тільки як можливість вибудувати собі для особистого користування картину світу, яка хоч якось відповідала б реальному стану справ, тобто не була б аж надто невіглаською. Сучасна фізика досі опиралася такому з нею поводженню. У ній є кілька хитрих фокусів, які в звичайну голову укладаються з великими труднощами.

Ось, наприклад, кіт Шредінгера: одночасно живий і мертвий, ну як так?! Щоб заплутати все ще сильніше, деякі фізики наполягають на так званій Евереттовській інтерпретації квантової механіки: мовляв, кожен раз, коли ви лізете перевіряти кота, Всесвіт розщеплюється на два паралельних, в одному з яких кіт живий, а в іншому мертвий (знаючі люди, вибачте автору цю профанацію).

Або інша історія: частка пролітає одночасно через дві щілини в екрані. Теж, знаєте, погано вкладається в голові. Нарешті, квантова телепортація - зовсім вже загадкова штука, хоч вже застосовується в реальності для криптографії. Всі ці складнощі так і спокушають нас махнути рукою і сказати: «Та ну його до біса, цей світ з такими безглуздими правилами гри - все одно ж фізики довели, що це просто голограма!»

Але виявляється, що фокус під назвою ER = EPR непогано допомагає укласти все це в голові, надаючи квантовому світові цілком реального і відчутного сенсу. Саме це і спробував показати Леонард Сасскінд в своїй Стенфордській лекції. Якщо наш читач випадково сам фізик, не вірте нам на слово, прочитайте цю лекцію. Якщо ж він не фізик, тоді ладно, вірте: Сасскінд по черзі розібрав шредінгеровського кота (разом з Евереттовськими множинними світами і ще одним персонажем - «другом Вігнера», хто чув про нього, той зрозуміє), фокус з двома дірками в екрані і телепортацію, щоб прийти до висновку: кротові нори, що виникають із квантової заплутаності, надають всьому цьому несподівано ясний сенс. Цілком придатний для укладання в голову середнього споживача єдиних картин світу.

А раз так, то в мутних заголовках популярних статей типу «Ми живемо в голограмі» відпаде будь-яка необхідність. Скоро ми все зможемо пояснити один одному без цих викрутасів, звичайними людськими словами.

Переклад статті Олексія Олексенко, що був молекулярним генетиком, але згодом зрозумів, що його вправи нікому не потрібні. То ж став популяризатором науки на посаді редактора журналу Сноб.