Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Сасскинд и т’Хоофт предположили, что, раз информация, описывающая трёхмерную звезду, может быть записана на двумерном горизонте чёрной дыры, информация о трёхмерной Вселенной тоже может быть представлена в виде голограммы на её горизонте. Эту идею можно толковать разными способами. Согласно одному из них, Вселенную по каким-то причинам можно полностью описать, используя на одно измерение меньше, чем обычно. Что уже само по себе странно. Ещё одно, более широкое толкование утверждает, что мы живём на поверхности горизонта, но верим, будто находимся внутри него. Есть и ещё одно объяснение, звучащее столь же странно: возможно, наша трёхмерная Вселенная — это в буквальном смысле проекция двумерной голограммы на окружающем её горизонте. В таком случае все мы, включая и вас и меня, — голограммы!

Подобные рассуждения по аналогии вряд ли можно назвать точным научным методом. Кроме того, переходить от свойств чёрных дыр к свойствам всей Вселенной — это слишком большое допущение. Но в 1998 году аргентинский физик Хуан Малдасена опубликовал работу, в которой не только упрочил идею, что мы живём в голографическом мире, но и перевернул всю физику с ног на голову.

Конформные теории поля — это класс теорий, которые соответствуют как квантовой теории, так и специальной теории относительности (одной из таких теорий является Стандартная модель). Малдасена представил себе пятимерную Вселенную, наполненную фундаментальными частицами, которые движутся в соответствии с эйнштейновской теорией гравитации (такую Вселенную также можно назвать гиперпространством). Затем он сделал вывод, что такая Вселенная должна быть окружена четырёхмерной границей, как двумерная поверхность воздушного шара окружает объём воздуха в нём. Граница должна содержать в себе фундаментальные частицы, движущиеся в соответствии с конформной теорией поля. [272] Maldacena J. The Large N Limit of Superconformal field theories and supergravity // Advances in Theoretical and Mathematical Physics. — 1998. — Vol. 2. — P. 231. — arXiv:hep-th/9711200v3 .

Чудесное открытие Малдасены состояло в том, что уравнения границы содержат ту же информацию и описывают те же физические явления, что и более сложные уравнения для всей пятимерной Вселенной. Иными словами, влияние гравитации на внутреннюю часть такого мира математически эквивалентно теории квантового поля на его границе. «Дуалистичность квантового и гравитационного описания открывает более глубокую связь между квантовой теорией и гравитационной теорией Эйнштейна, — говорит Берман. — Они кажутся совершенно непохожими друг на друга, но может оказаться, что это всего лишь две стороны одной монеты».

Аркани-Хамед утверждает: «Кажется, будто квантовая теория и теория относительности враждуют друг с другом, но на самом деле они даже могут друг друга поддерживать».

Научное сообщество посчитало работу Малдасены такой важной, что на неё сослались более 10 000 раз в других научных трудах. Сегодня её рассматривают как важную веху в истории современной физики. Некоторые физики полагают, что обнаружение связи между гравитацией и квантовой теорией так же важно, как открытие Максвелла о том, что электричество, магнетизм и свет можно объединить в единое целое.

Берман предупреждает, что результаты исследований Малдасены применимы только в упрощённой, игрушечной модели Вселенной, известной как пространство анти-де Ситтера. Помимо всего прочего, в нём пространство не расширяется, как в реальности. Тем не менее учёные полагают, что эти результаты применимы к реальной Вселенной, хотя никто ещё не сумел этого доказать.

Открытие Малдасены подняло важный вопрос: как квантовое поле на границе гиперпространства создаёт гравитацию внутри него? В попытке ответить Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии в Ванкувере в 2015 году создал ещё более простую модель. Это было пустое гиперпространство, соответствующее единственному квантовому полю на границе. Как и квантовые поля, его скрепляла в единое целое запутанность — мгновенное влияние, которое Эйнштейн называл жутким дальнодействием . [273] См. главу 8.

Используя математические инструменты, разработанные другими учёными, Ван Раамсдонк сумел постепенно устранить запутанность на границе. После этого он увидел, как пространство-время его Вселенной начало постепенно растягиваться, как будто жевательная конфета. Через некоторое время сама структура пространства-времени стала разрушаться, а когда запутанность была уменьшена до нуля, его просто разорвало на кусочки.

Ван Раамсдонк заключил, что действующие на больших расстояниях связи, которые в пространстве-времени создаёт запутанность, скрепляют его воедино. «Пространство-время — это лишь геометрическое представление того, как связываются между собой объекты в квантовой системе», — говорит он. [274] Цит. по: Cowen R. The quantum source of space-time // Nature. — 19 November 2015. — Vol. 527. — P. 290.

Если Ван Раамсдонк прав, пространство-время могло возникнуть из «квантовой информации». Но результаты его работы применяются только к упрощённой модели, и доказать их верность в реальном мире невозможно. Тем не менее существует и ещё одна гипотеза, утверждающая, что запутанность является необходимым условием для существования пространства-времени.

В 2013 году Малдасена и Сасскинд обратили внимание научного сообщества на две работы Эйнштейна, опубликованные в одном и том же 1935 году. С первого взгляда казалось, что они касаются совершенно разных вещей, но Малдасена и Сасскинд полагали, что на более глубоком уровне эти работы повествуют об одном и том же.

В первой работе Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен писали о квантовом феномене запутанности и (ошибочно) отмечали, что подобное «жуткое дальнодействие» кажется настолько бессмысленным, что лишь подтверждает неполноту и неправильность квантовой теории. [275] Einstein A., Podolsky B., Rosen N. Can quantummechanical description of physical reality be considered complete? // Physical Review. — May 1935. — Vol. 47 (10). — P. 777 ( http://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777 ). Во втором труде Эйнштейн и Розен рассказывали, что в пространстве-времени существуют особые короткие пути, позволяющие сократить дистанцию, и что их существование допускается общей теорией относительности. [276] Einstein A., Rosen N. The particle problem in the general theory of relativity // Physical Review. — July 1935. — Vol. 48 (1). — P. 73. Сегодня они известны нам под именем «кротовые норы». Этот термин предложил американский физик Джон Уилер, также давший название чёрным дырам. Дыра в яблоке позволяет червяку быстро попасть с одной стороны фрукта на другую, а не ползти по поверхности. Точно так же и «кротовая нора» может помочь космическому путешественнику срезать путь по Вселенной. Войдя в неё с одной стороны и преодолев, возможно, лишь пару метров, он сможет выйти в совершенно другой галактике.