Сломайте себе мозг.
Мы живем внутри гигантской голограммы, генерируемой квантовым компьютером Вселенной. Эта странноватая, казалось бы, гипотеза с годами обретает все больше и больше сторонников среди серьезных физиков-теоретиков. Теперь же появляются исследовательские работы, переводящие теорию в область реальных экспериментов.
Открытия
Когда в архиве научных изданий практически одновременно публикуются никак не связанные друг с другом статьи, подготовленные разными исследователями, но посвященные одной и той же теме, - это обычно признак того, что тема, по меньшей мере достаточно актуальная. Если же авторами работ при этом являются весьма заметные в науке люди, то на суть исследуемого предмета, скорее всего, имеет смысл обратить внимание не только ученым-физикам.
В течение одной недели февраля 2012 года свои новые публикации выложили в Интернет Крейг Хоган (Craig Hogan), директор Центра астрофизики частиц в Fermilab и профессор Чикагского университета, и Фрэнк Вилчек (Frank Wilczek) - лауреат Нобелевской премии по физике за 2004 год и профессор Массачусетского технологического института.
Cтатью Хогана, посвященную его детищу - внушительных размеров экспериментальной установке под названием «Холометр» вряд ли можно называть совершенно новой. Первая версия этой работы появилась еще два года назад, а ныне увидела свет - ни много ни мало - уже 27-я версия статьи. Историю версий этой публикации можно считать отражением того нелегкого пути, что пришлось пройти ученому при создании данного прибора - иногда в шутку именуемого коллегами «Хоганметром» и ныне уже почти готового к запуску в работу. Целью же опытов является непосредственная экспериментальная проверка гипотезы о том, что окружающий человека мир по своей волновой природе представляет собой нечто вроде оптической голограммы.
Статья нобелевского лауреата Фрэнка Вилчека, с другой стороны, является абсолютно новаторской и посвящена открытому им в квантовой теории объекту, получившему название Time Crystal («кристалл во времени» или «временнóй кристалл»). Вилчеком опубликованы две взаимодополняющие статьи. Одна - в соавторстве с Альфредом Шапире, посвященная математическому обнаружению кристаллоподобных структур. А вот вторая работа - особо интересная в данном случае - посвящена самоорганизации кристаллов во времени квантовой физики, и открывает массу интересных вещей об устройстве Вселенной как квантового компьютера.
Голографический принцип
Одна из важнейших нерешенных проблем в физической науке XX, а теперь и XXI века - это принципиальная невозможность красиво и согласованно объединить две самые успешные теории: квантовую физику для описания частиц микромира и общую теорию относительности для макромира в космических масштабах (где гравитация трактуется в терминах искривления пространства-времени массой и энергией объектов).
В общедоступных терминах и понятиях суть этой принципиальной нестыковки популярно объясняют примерно так. Квантовая физика и эффекты гравитации начинают оказывать на один и тот же объект сопоставимое по силе воздействие лишь на чрезвычайно малых масштабах, именуемых планковскими (единица планковской длины - порядка 10-35 метра, планковского времени - порядка 10-44 секунды, эти единицы выводятся из трех главных констант физики - постоянной Планка для минимального кванта энергии, ньютоновой константы гравитационного взаимодействия и эйнштейновой константы скорости света). Но если опираться на имеющиеся физические теории, то с материей и пространством-временем на планковских масштабах происходят совершенно непостижимые вещи.
С одной стороны, материя, заключенная в объем пространства с величиной линейных размеров меньше, чем планковская длина, оказывается лежащей внутри так называемого шварцшильдовского радиуса для ее массы, рассчитанной на основе квантовой физики, - то есть в зоне, откуда ее в принципе невозможно увидеть. Иначе говоря, в пространстве-времени образуется микроскопическая сингулярность типа черной дыры. С другой же стороны, согласно иным расчетам, микроскопическая черная дыра с размерами меньше, чем планковская длина, никак не может иметь энергии, достаточной для порождения единственного кванта на своей шварцшильдовской частоте.
Для разрешения этих и подобных им логических противоречий уже многие десятилетия в физике пытаются создать различные варианты теории квантовой гравитации. В целом понятно, что на масштабах уровня планковских структура пространства-времени должна обладать какими-то существенно иными физическими свойствами. Однако в чем именно заключается иные свойства - мнения у теоретиков имеются самые разные.
Одну из наиболее оригинальных идей по этому поводу выдвинул известный голландский теоретик Герард 'т Хоофт (Gerardus (Gerard) 't Hooft), лауреат Нобелевской премии по физике за 1999 год.
В начале 1990-х годов, при выборе нового направления исследований, 'т Хоофт особо заинтересовался известной работой Стивена Хокинга по излучению или «испарению» черных дыр. Согласно расчетам британского физика, черным дырам (как и частицам) оказывалось свойственно не только поглощение, но и излучение энергии. Это открытие порождало интереснейшие вопросы. Являются ли черные дыры элементарными частицами? И наоборот, являются ли элементарные частицы черными дырами?
Уже известные физикам свойства черных дыр, казалось бы, заставляют относить их к объектам, фундаментально отличающимся от обычных форм материи. Но если смотреть иначе, то современная наука пока вообще не может сказать что-либо определенное о физических законах для этих объектов. Интуиция ученого подсказывала 'т Хоофту, что изучение парадоксальной физики черных дыр в конечном итоге может привести к чему-то воистину великому - сопоставимому с открытием Макса Планка, сделанным при расследовании парадоксов излучения черного тела и в итоге приведшим к рождению квантовой физики.
Особый интерес вызывали у 'т Хоофта элегантные результаты по термодинамике и энтропии черных дыр, полученные в 1970-80-е годы Якобом Бекенштайном. Этот ученый теоретик наметил перспективный маршрут к объединению физических понятий типа энергии материи и геометрии пространства с абстрактными прежде идеями теории информации. Сначала Бекенштайн показал, что энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта событий (теоретическая поверхность, которая окружает черную дыру и обозначает «точку невозвращения» для материи и света, падающих в черную дыру). А затем, исследуя энтропию не только как меру потерянной энергии или хаотичности термодинамической системы, но и как меру информационной емкости, ученый помог разрешить известный «информационный парадокс» черных дыр.
Согласно выводам Хокинга, когда черная дыра исчезает при своем испарении, то вся информация о звезде, которая ранее коллапсировала для образования этой черной дыры, получается, тоже исчезает (излучение Хокинга не несет в себе никакой информации о внутреннем содержимом черной дыры). А это явно противоречило широко признанному в физике принципу, согласно которому информация во Вселенной не может быть разрушена и потеряна.
Благодаря же работам Бекенштайна был получен важный ключ к разрешению этого парадокса. После того как им было обнаружено, что энтропия черной дыры - или, иначе, ее информационное содержимое - изменяется пропорционально площади поверхности горизонта событий, стало возможным показать и еще нечто очень важное.
Микроскопическая квантовая рябь на поверхности горизонта событий может кодировать в себе информацию о внутреннем содержимом черной дыры. На основе этого вывода родилось очень глубокое физическое прозрение, согласно которому вся 3D-информация о предшествовавшей звезде и прочих вещах, поглощенных дырой, может быть полностью закодирована на поверхности 2D-горизонта. А поскольку «испарение» черной дыры мыслится с поверхности, никакой загадочной потери информации при этом не происходит...
Взяв за основу результаты Бекенштайна, в 1993-94 годы Герард 'т Хоофт приступил к изучению физики черных дыр и их взаимосвязей с теорией информации. Вскоре - в процессе обсуждений новой концепции с коллегой из Стэнфордского университета Леонардом Сасскиндом - у ученых родилось и подходящее название для новой идеи: «голографический принцип». (Базовый принцип голограммы, если кто вдруг забыл или не в курсе, состоит в том, что вся информация записана на плоской 2-мерной пластине, однако когда на нее падает свет, то она воссоздает объемный 3-мерный образ).
Сасскинд и 'т Хоофт развили идеи Бекенштайна на всю Вселенную в целом - на том основании, что из-за конечной скорости света и любую точку космоса тоже можно считать имеющей свой собственный «горизонт событий». В фундамент новой концепции было положено два основополагающих начала. Во-первых, 'т Хоофт продемонстрировал, что вся информация, содержащаяся в некоторой произвольной области пространства, может быть представлена как «голограмма» - то есть теоретическое описание, помещающееся на границе этой области. А во-вторых, согласно голографическому принципу - микроскопическую структуру пространства-времени следует считать гранулированной, то есть в конечном счете она оказывается состоящей из крошечных неделимых единиц - что-то типа пикселей цифрового дисплея с линейным размером в одну планковскую длину...
Поначалу необычные идеи 'т Хоофта разделялись лишь весьма небольшой группой учеников и единомышленников. Однако вскоре, по мере прогресса в теории струн и с появлением там понятия мембран различной размерности, предоставивших мощный инструментарий для изучения черных дыр, оказалось, что концепции голографического принципа чрезвычайно удобны и применимы к исследованиям разнообразных физических феноменов в пространстве-времени любой размерности. Примечательно, что изначально голографический принцип создавался как своего рода концептуальная альтернатива теории струн. Но вышло так, что наиболее знаменитая из работ в голографическом духе оказалась проделанной струнным теоретиком Хуаном Малдасеной (Juan Martín Maldacena) и ныне известна под названием AdS/CFT-соответствие.
В
Открытия
Когда в архиве научных изданий практически одновременно публикуются никак не связанные друг с другом статьи, подготовленные разными исследователями, но посвященные одной и той же теме, - это обычно признак того, что тема, по меньшей мере достаточно актуальная. Если же авторами работ при этом являются весьма заметные в науке люди, то на суть исследуемого предмета, скорее всего, имеет смысл обратить внимание не только ученым-физикам.
В течение одной недели февраля 2012 года свои новые публикации выложили в Интернет Крейг Хоган (Craig Hogan), директор Центра астрофизики частиц в Fermilab и профессор Чикагского университета, и Фрэнк Вилчек (Frank Wilczek) - лауреат Нобелевской премии по физике за 2004 год и профессор Массачусетского технологического института.
Cтатью Хогана, посвященную его детищу - внушительных размеров экспериментальной установке под названием «Холометр» вряд ли можно называть совершенно новой. Первая версия этой работы появилась еще два года назад, а ныне увидела свет - ни много ни мало - уже 27-я версия статьи. Историю версий этой публикации можно считать отражением того нелегкого пути, что пришлось пройти ученому при создании данного прибора - иногда в шутку именуемого коллегами «Хоганметром» и ныне уже почти готового к запуску в работу. Целью же опытов является непосредственная экспериментальная проверка гипотезы о том, что окружающий человека мир по своей волновой природе представляет собой нечто вроде оптической голограммы.
Статья нобелевского лауреата Фрэнка Вилчека, с другой стороны, является абсолютно новаторской и посвящена открытому им в квантовой теории объекту, получившему название Time Crystal («кристалл во времени» или «временнóй кристалл»). Вилчеком опубликованы две взаимодополняющие статьи. Одна - в соавторстве с Альфредом Шапире, посвященная математическому обнаружению кристаллоподобных структур. А вот вторая работа - особо интересная в данном случае - посвящена самоорганизации кристаллов во времени квантовой физики, и открывает массу интересных вещей об устройстве Вселенной как квантового компьютера.
Голографический принцип
Одна из важнейших нерешенных проблем в физической науке XX, а теперь и XXI века - это принципиальная невозможность красиво и согласованно объединить две самые успешные теории: квантовую физику для описания частиц микромира и общую теорию относительности для макромира в космических масштабах (где гравитация трактуется в терминах искривления пространства-времени массой и энергией объектов).
В общедоступных терминах и понятиях суть этой принципиальной нестыковки популярно объясняют примерно так. Квантовая физика и эффекты гравитации начинают оказывать на один и тот же объект сопоставимое по силе воздействие лишь на чрезвычайно малых масштабах, именуемых планковскими (единица планковской длины - порядка 10-35 метра, планковского времени - порядка 10-44 секунды, эти единицы выводятся из трех главных констант физики - постоянной Планка для минимального кванта энергии, ньютоновой константы гравитационного взаимодействия и эйнштейновой константы скорости света). Но если опираться на имеющиеся физические теории, то с материей и пространством-временем на планковских масштабах происходят совершенно непостижимые вещи.
С одной стороны, материя, заключенная в объем пространства с величиной линейных размеров меньше, чем планковская длина, оказывается лежащей внутри так называемого шварцшильдовского радиуса для ее массы, рассчитанной на основе квантовой физики, - то есть в зоне, откуда ее в принципе невозможно увидеть. Иначе говоря, в пространстве-времени образуется микроскопическая сингулярность типа черной дыры. С другой же стороны, согласно иным расчетам, микроскопическая черная дыра с размерами меньше, чем планковская длина, никак не может иметь энергии, достаточной для порождения единственного кванта на своей шварцшильдовской частоте.
Для разрешения этих и подобных им логических противоречий уже многие десятилетия в физике пытаются создать различные варианты теории квантовой гравитации. В целом понятно, что на масштабах уровня планковских структура пространства-времени должна обладать какими-то существенно иными физическими свойствами. Однако в чем именно заключается иные свойства - мнения у теоретиков имеются самые разные.
Одну из наиболее оригинальных идей по этому поводу выдвинул известный голландский теоретик Герард 'т Хоофт (Gerardus (Gerard) 't Hooft), лауреат Нобелевской премии по физике за 1999 год.
В начале 1990-х годов, при выборе нового направления исследований, 'т Хоофт особо заинтересовался известной работой Стивена Хокинга по излучению или «испарению» черных дыр. Согласно расчетам британского физика, черным дырам (как и частицам) оказывалось свойственно не только поглощение, но и излучение энергии. Это открытие порождало интереснейшие вопросы. Являются ли черные дыры элементарными частицами? И наоборот, являются ли элементарные частицы черными дырами?
Уже известные физикам свойства черных дыр, казалось бы, заставляют относить их к объектам, фундаментально отличающимся от обычных форм материи. Но если смотреть иначе, то современная наука пока вообще не может сказать что-либо определенное о физических законах для этих объектов. Интуиция ученого подсказывала 'т Хоофту, что изучение парадоксальной физики черных дыр в конечном итоге может привести к чему-то воистину великому - сопоставимому с открытием Макса Планка, сделанным при расследовании парадоксов излучения черного тела и в итоге приведшим к рождению квантовой физики.
Особый интерес вызывали у 'т Хоофта элегантные результаты по термодинамике и энтропии черных дыр, полученные в 1970-80-е годы Якобом Бекенштайном. Этот ученый теоретик наметил перспективный маршрут к объединению физических понятий типа энергии материи и геометрии пространства с абстрактными прежде идеями теории информации. Сначала Бекенштайн показал, что энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта событий (теоретическая поверхность, которая окружает черную дыру и обозначает «точку невозвращения» для материи и света, падающих в черную дыру). А затем, исследуя энтропию не только как меру потерянной энергии или хаотичности термодинамической системы, но и как меру информационной емкости, ученый помог разрешить известный «информационный парадокс» черных дыр.
Согласно выводам Хокинга, когда черная дыра исчезает при своем испарении, то вся информация о звезде, которая ранее коллапсировала для образования этой черной дыры, получается, тоже исчезает (излучение Хокинга не несет в себе никакой информации о внутреннем содержимом черной дыры). А это явно противоречило широко признанному в физике принципу, согласно которому информация во Вселенной не может быть разрушена и потеряна.
Благодаря же работам Бекенштайна был получен важный ключ к разрешению этого парадокса. После того как им было обнаружено, что энтропия черной дыры - или, иначе, ее информационное содержимое - изменяется пропорционально площади поверхности горизонта событий, стало возможным показать и еще нечто очень важное.
Микроскопическая квантовая рябь на поверхности горизонта событий может кодировать в себе информацию о внутреннем содержимом черной дыры. На основе этого вывода родилось очень глубокое физическое прозрение, согласно которому вся 3D-информация о предшествовавшей звезде и прочих вещах, поглощенных дырой, может быть полностью закодирована на поверхности 2D-горизонта. А поскольку «испарение» черной дыры мыслится с поверхности, никакой загадочной потери информации при этом не происходит...
Взяв за основу результаты Бекенштайна, в 1993-94 годы Герард 'т Хоофт приступил к изучению физики черных дыр и их взаимосвязей с теорией информации. Вскоре - в процессе обсуждений новой концепции с коллегой из Стэнфордского университета Леонардом Сасскиндом - у ученых родилось и подходящее название для новой идеи: «голографический принцип». (Базовый принцип голограммы, если кто вдруг забыл или не в курсе, состоит в том, что вся информация записана на плоской 2-мерной пластине, однако когда на нее падает свет, то она воссоздает объемный 3-мерный образ).
Сасскинд и 'т Хоофт развили идеи Бекенштайна на всю Вселенную в целом - на том основании, что из-за конечной скорости света и любую точку космоса тоже можно считать имеющей свой собственный «горизонт событий». В фундамент новой концепции было положено два основополагающих начала. Во-первых, 'т Хоофт продемонстрировал, что вся информация, содержащаяся в некоторой произвольной области пространства, может быть представлена как «голограмма» - то есть теоретическое описание, помещающееся на границе этой области. А во-вторых, согласно голографическому принципу - микроскопическую структуру пространства-времени следует считать гранулированной, то есть в конечном счете она оказывается состоящей из крошечных неделимых единиц - что-то типа пикселей цифрового дисплея с линейным размером в одну планковскую длину...
Поначалу необычные идеи 'т Хоофта разделялись лишь весьма небольшой группой учеников и единомышленников. Однако вскоре, по мере прогресса в теории струн и с появлением там понятия мембран различной размерности, предоставивших мощный инструментарий для изучения черных дыр, оказалось, что концепции голографического принципа чрезвычайно удобны и применимы к исследованиям разнообразных физических феноменов в пространстве-времени любой размерности. Примечательно, что изначально голографический принцип создавался как своего рода концептуальная альтернатива теории струн. Но вышло так, что наиболее знаменитая из работ в голографическом духе оказалась проделанной струнным теоретиком Хуаном Малдасеной (Juan Martín Maldacena) и ныне известна под названием AdS/CFT-соответствие.
В