Paul Sutter je astrofizik z univerze Ohio State in glavni znanstvenik v Znanstvenem centru COSI. Sutter je tudi izvršni direktor Ask the Spaceman in Space Radio in vodi AstroTours po vsem svetu. Znanstvenik je v reviji Expert Voices predstavil zanimiv članek.
Teoretični fiziki so v poznih devetdesetih letih odkrili izjemno povezavo med dvema na videz nepovezanima pojmoma v svoji znanosti. Ta povezava je skoraj nerazumljivo tehnična, vendar ima lahko daljnosežne posledice za naše razumevanje gravitacije in celo vesolja. Za ponazoritev te povezave začnimo s črno luknjo.
Vpliv črne luknje na pretok informacij
Raziskovalci so ugotovili, da se, ko en košček informacij zadene v črno luknjo, njegova površina poveča za zelo natančen znesek: kvadrat Planckove dolžine, ki je enak neverjetno majhnemu 1,6 x 10-35 m.
Na začetku se morda ne zdi povsem zanimivo, da črna luknja ob vstopu snovi ali energije postane večja, najbolj presenetljivo pa je, da površina površine, ne prostornina, narašča v sorazmerju z zanesljivimi informacijami. To je povsem v nasprotju z večino drugih znanih predmetov v vesolju.
Promocijski video:
Ali živimo v tridimenzionalnem prostoru?
Za večino predmetov, s katerimi smo seznanjeni, obstaja en sam zakon: če "porabi" en košček informacij, se bo njegova količina povečala za eno enoto, njegova površina pa se bo povečala le za delček. Toda s črnimi luknjami se situacija dramatično spreminja. Kot da informacije ne prebivajo v črni luknji, temveč se držijo njene površine.
Tako je črna luknja popolnoma tridimenzionalni objekt v našem tridimenzionalnem vesolju in ga lahko v celoti predstavlja dvodimenzionalna površina.
Kako delujejo hologrami?
Hologram je sistem, ki uporablja manj dimenzij. Lahko pakira vse informacije iz originalnega sistema.
Na primer, živimo v treh prostorskih dimenzijah. Ko pozirate pred kamero, posname dvodimenzionalno sliko vašega obraza, vendar ne zajame vseh informacij. Ko pozneje pregledate svoje delo in uporabite filter, na primer ne morete videti hrbtne strani glave, ne glede na to, kako zasukate sliko. Toda hologramsko snemanje bo vsebovalo vse te podatke. Čeprav je to dvodelni pogled, ga lahko še vedno raziščete iz vseh 3D zornih kotov.
Črna luknja kot hologram
Opis črne luknje kot hologram bi lahko rešil tako imenovani paradoks informacij o črni luknji, skrivnost, kje se informacije rodijo, ko snov črpa luknjo. Toda to je tema za drug članek. Koncept "črne luknje kot hologram" je tudi dober primer, ki ga morate upoštevati pri poskusu ogleda celotnega vesolja.
Reševanje zasebnih težav
Ujemanje med na videz nepovezanimi vejami fizike, omenjenimi na začetku tega članka, je še ena uporaba holografskih tehnik, ki izvira iz neverjetnega modela AdS-CFT.
AdS pomeni Anti-De Sitter. Ta model predstavlja posebno rešitev Einsteinove splošne teorije relativnosti. Opisuje popolnoma prazno vesolje z negativno prostorsko ukrivljenostjo.
Je precej dolgočasno vesolje: ne vsebuje nobene snovi in energije, vzporedne črte pa se sčasoma razhajajo glede na položaj osnovne geometrije. Čeprav ta postopek morda ne opisuje vesolja, vsaj nakazuje, da ima življenje na zemlji začetek. Ta nekoliko sproščen model vesolja ima potrebne matematične lastnosti, da postane teorija spojin pomembna.
Teorija polja
Druga stran korespondence je struktura, imenovana konformna teorija polja. Teoretična fizika se odbija s svojimi teorijami polja. To so vzvodi, ki jih znanstveniki uporabljajo za ustvarjanje različnih kvantnih teorij, ki se uporabljajo za opis treh od štirih sil narave.
Elektromagnetnost, močna jedrska sila in šibka jedrska sila bi lahko opisali s teorijo polja in v zadnjem pol stoletja je človeštvo pogosto izvajalo njihovo uporabo.
Treba je razumeti, zakaj je ta povezava tako pomembna. Recimo, da poskušate rešiti resnično težaven problem, kot je kvantna gravitacija, z uporabo teorije strun, ki je poskus razložiti vse temeljne sile in delce v vesolju z drobnimi vibrirajočimi strunami. V resnici gre za tako zapleten problem, da zanj nihče ni našel rešitve kljub desetletjem poskusov.
Dopisovanje AdS-CFT nam pove, da se lahko holografske tehnike rešijo sveta tega glavobola.
Namesto da bi poskušali rešiti problem kvantne gravitacije v našem tridimenzionalnem vesolju, nam AdS-CFT omogoča, da se premaknemo do enakovrednega problema na robu vesolja, ki ga predstavljata le dve dimenziji in ne vsebuje gravitacije.
Enačbe teorije polja
Skoraj nemogoče matematično računanje teorije strun nadomešča niz preprosto noro težkih enačb teorije polja. To vam omogoča, da brez težav najdete rešitve za težave, kar vam preprečuje prenos rešitve nazaj v običajno tridimenzionalno vesolje in kakršne koli napovedi. Vse skupaj je videti kot odlična ideja in način, kako naraščati naravo s pomočjo gravitacijskih mehanizmov. In to bi se lahko izkazalo za sijajen način "reševanja" kvantne gravitacije.
Obstoječa nasprotja
Toda trenutno obstajajo neka protislovja. Prvič, ne živimo v anti-de Sitterjevem vesolju. Naše vesolje je polno snovi, sevanja in temne energije in ima skoraj popolnoma ravno geometrijo.
Ali obstaja podobna korespondenca, ki deluje v našem resničnem vesolju? Mogoče se teoretiki zelo trudijo, da bi našli "mejo", vzeto za korespondenco AdCa-CFT kozmološkemu horizontu - mejo tega, kar lahko vidimo v našem opazovanem Vesolju.
Vse bi bilo razumljivo, razen trenutka, ko živimo v dinamičnem prostoru-času z nenehno rastočim prostorom in ta meja se nenehno spreminja. Ta položaj v sodobnih teorijah ni dobro razložen.
Ko preidemo iz modela, ki ga je opisal astrofizik Sitter, k enostavnejšemu mejnemu modelu z uporabo teorije konformnega polja, so novi sistemi enačb v osnovi rešljivi.
Še vedno obstajajo, vendar so pogosto videti fantastično, katastrofalno, zastrašujoče in nerešljivo.
Ali hologram obstaja?
Tudi če se je povezava AdS-CFT izkazala za koristno pri reševanju problema kvantne gravitacije in bi fiziki lahko našli način, kako krmariti po problemih in narediti to metodo relevantno za vesolje, v katerem živimo, to še ne pomeni, da dejansko živimo v hologramu.
Napačno je misliti, da je model AdS-CFT priročen način reševanja gravitacijskih problemov našega vesolja z gravitacijo v treh dimenzijah.
Vse to je iluzija in resnično živimo v dvodimenzionalnem prostoru brez gravitacije. Tako priročna matematična naprava ne spremeni našega pogleda na temeljno naravo resničnosti.
Če so holografski principi uporabni za reševanje problemov, to ne pomeni, da živimo v hologramu. In tudi če bi resnično živeli v hologramu, razlike nikakor ne bi znali povedati.
Maja Muzashvili