Наша Вселенная — голограмма? Удивительная гармония AdS/CFT-соответствия

Одной из основных задач современной физики является построение единой теории, которая объединяет общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую гравитацию на космологических масштабах, с квантовой механикой, описывающей микроскопические процессы. Эти две теории показывают противоречивое поведение в экстремальных условиях, таких как сингулярности черных дыр или начало Большого взрыва. Поиск теории квантовой гравитации, которая согласует эти две теории, является нерешенной проблемой.

Одним из наиболее амбициозных подходов к решению этой проблемы является теория струн, которая предполагает, что элементарные частицы не являются точечными, а одномерными вибрирующими объектами, называемыми струнами. Теория струн требует введения дополнительных измерений, кроме четырех, которые мы наблюдаем (три пространственных и одно временное), и предсказывает существование новых симметрий и степеней свободы.

Однако теория струн имеет свои сложности, такие как неоднозначность выбора правильной версии теории, отсутствие экспериментальных подтверждений и сложность математических методов. В этой статье мы рассмотрим одно из самых неожиданных и продуктивных следствий теории струн, которое называется соответствием AdS/CFT. Это соответствие утверждает, что наша вселенная может быть рассмотрена как голограмма, то есть проекция двумерной теории на трехмерное пространство.

Определение голограммы

Голограмма — это способ записи и воспроизведения трехмерного изображения с помощью двумерной поверхности. Голограмма создается с помощью когерентного света, который проходит через фоточувствительную пленку, на которой фиксируются интерференционные полосы. Эти полосы кодируют информацию о фазе и амплитуде световой волны, отраженной от трехмерного объекта.

Голографический принцип — это гипотеза, что вся информация, содержащаяся в объеме пространства, может быть закодирована на его границе. Это означает, что количество информации, которое может храниться в пространстве, ограничено его площадью, а не объемом. Этот принцип был предложен в 1990-х годах физиками Леонардом Сасскиндом и Жераром 'т Хофтом в контексте термодинамики черных дыр. Они показали, что энтропия черной дыры, то есть мера ее беспорядка, пропорциональна площади ее горизонта событий, а не объему. Это означает, что вся информация, поглощенная черной дырой, может быть восстановлена из ее поверхности.

Голографический принцип был обобщен на всю вселенную, предполагая, что вся информация, содержащаяся в ней, может быть закодирована на ее границе. Это означает, что наша трехмерная вселенная может быть эквивалентна двумерному пространству. Это двумерное пространство не имеет гравитации, но содержит все остальные виды взаимодействия и материи. Таким образом, гравитация может быть проявлением голографической иллюзии, а не фундаментальной силой.

Определение соответствия AdS/CFT

Соответствие AdS/CFT — это конкретная реализация голографического принципа в рамках теории струн. Это соответствие было открыто в 1997 году Хуаном Мальдасеной, который показал, что определенная версия теории струн, живущая в пятимерном пространстве с отрицательной кривизной, называемом анти-де Ситтеровым пространством, эквивалентна четырехмерной квантовой теории поля, называемой конформной теорией поля, расположенной на границе этого пространства.

Анти-де Ситтерово пространство — это смоделированная вселенная, которая полностью пуста, за исключением сильной внутренней кривизны. Эта кривизна приводит к тому, что расстояние между объектами в этом пространстве увеличивается с их удалением от центра. Это означает, что анти-де Ситтерово пространство имеет границу, на которой объекты становятся бесконечно большими и бесконечно отдаленными друг от друга. Эта граница называется конформной границей, потому что она сохраняет углы, но не расстояния.

Конформная теория поля — это квантовая теория, которая не зависит от масштаба. Это означает, что ее уравнения не меняются при увеличении или уменьшении размеров системы. Конформные теории поля описывают многие явления в конденсированной материи, статистической физике и критических точках. Они также являются основой для теории струн в плоском пространстве.

Соответствие AdS/CFT утверждает, что теория струн в анти-де Ситтеровом пространстве и конформная теория поля на его границе полностью эквивалентны. Это означает, что все физические явления, происходящие в одной теории, могут быть переведены на язык другой теории.

Это соответствие имеет много применений в разных областях физики, таких как теория черных дыр, квантовая хромодинамика, космология и квантовая информация. Это соответствие позволяет использовать более простую и хорошо изученную конформную теорию поля для решения сложных задач в теории струн и гравитации, и наоборот.

Соотношение с реальной вселенной

Соответствие AdS/CFT является удивительным открытием, которое открывает новые возможности в понимании природы. Однако, насколько оно соответствует нашей реальной вселенной? Ведь мы не живем в анти-де Ситтеровом пространстве, а в пространстве с положительной кривизной, называемом де Ситтеровым пространством, которое соответствует наблюдаемому ускоренному расширению вселенной. Кроме того, мы не знаем, какая именно версия теории струн является правильной, и как она соотносится с конформной теорией поля.

Эти вопросы остаются открытыми и активно исследуются физиками. Существуют различные попытки обобщить соответствие AdS/CFT на более реалистичные ситуации, такие как де Ситтерово пространство, пространство с границами, пространство с сингулярностями и т. д. Однако, эти обобщения сталкиваются с техническими и концептуальными проблемами, и пока не достигли такого же уровня точности и универсальности, как оригинальное соответствие AdS/CFT.

Таким образом, мы не можем с уверенностью утверждать, что наша вселенная является голограммой, но мы можем сказать, что это возможно, и что это гипотеза, которая требует дальнейшего изучения. Возможно, в будущем мы найдем более прямые доказательства или опровержения этой гипотезы, например, в виде аномалий в космическом микроволновом излучении, гравитационных волн или квантовой интерференции. Возможно, мы найдем более простую и естественную теорию квантовой гравитации, которая объяснит все наблюдаемые явления без необходимости прибегать к голографии. Или возможно, мы никогда не узнаем ответа на этот вопрос, и он останется одной из величайших загадок физики.