Может ли наша Вселенная быть голограммой?

Голограмма – один из самых интересных «плоских» объектов, созданных человеком. Кодируя полную информацию о трёхмерной картинке на двумерной плоскости, голограммы меняют свой вид со сменой перспективы. Множество дополнений к нашему пониманию Вселенной говорят, что понятие о трёх измерениях нашего мира существует только потому, что мы можем воспринимать не больше трёх; на самом же деле их может быть больше. Более того, есть соблазнительная возможность того, что мы все представляем собой голографическую проекцию вселенной с большим числом измерений, наблюдаемую с определённой перспективы. Читатель хочет узнать больше на эту тему, и спрашивает:

Голографическая Вселенная, кажется, даёт объяснения многим вопросам. Если предположить, что такая точка зрения верна, какова взаимосвязь между двумерной поверхностью и трёхмерным представлением? Подходит ли для размышлений на эту тему пример обычной голограммы?

Мы встречали голограммы, но большинство людей не знают, как они получаются. Наука, стоящая за ними, на самом деле удивительна.

Фотография – простая вещь: нужно взять свет, испускаемый или отражённый объектом, сфокусировать его через линзу и запечатлеть на плоской поверхности. Так работает не только фотография, но и ваши глаза в любой момент времени: линза в вашем глазу фокусирует свет, и палочки с колбочками на задней его поверхности записывают его, отправляя в мозг, обрабатывающий свет и выдающий изображение.

Но используя специальную эмульсию и когерентный свет (к примеру, лазер), можно создать карту всего светового поля объекта, которое и представляет собой голограмма. Можно точно записать все изменения в плотности, текстурах, прозрачности и прочем. Если правильно подсветить эту плоскую двумерную карту, она покажет полный набор трёхмерной информации, который можно получить с вашей точки зрения, но удивительно то, что она может сделать это для любой точки зрения. Распечатав её на металлической плёнке, вы получите обыкновенную голограмму.

В воспринимаемой нами Вселенной существует три доступных нам пространственных измерения. Но что, если их больше? Может ли наша трёхмерная Вселенная содержать закодированную информацию о реальности с четырьмя или большим количеством измерений на манер того, как обычная голограмма, двумерная поверхности, кодирует полный набор информации о трёхмерной Вселенной? Оказывается, может – и из этого возникает несколько весьма забавных возможностей, но и у них есть важные для понимания ограничения.

Идея о том, что наша Вселенная может оказаться голограммой, появилась из теории струн. А теория струн появилась из предположения – струнной модели – объясняющего сильные взаимодействия, происходящие внутри протонов, нейтронов и других барионов (и мезонов), имеющих составную структуру. Правда, она выдала целую кучу бессмысленных предсказаний, не соответствующих экспериментам, например, о существовании частицы со спином, равным двум. Но люди увидели, что если очень сильно задрать энергии, до планковских масштабов, то струнная платформа может объединить все известные фундаментальные взаимодействия вместе с гравитацией – так и родилась теория струн. Но особенность (или недостаток, это как посмотреть) этой попытки достичь «святого Грааля» физики состоит в том, что ей абсолютно необходимо работать в дополнительных измерениях. Так что появился вопрос – как получить нашу Вселенную, с тремя пространственными измерениями, из теории с большим их количеством? И какая из теорий струн, ибо их может быть множество, правильная?

Возможно, эти разнообразные варианты моделей струнной теории на самом деле представляют собой разные части одной фундаментальной теории, рассматриваемой с другой точки зрения. В математике две эквивалентные системы называют дуальными, и одно из неожиданных открытий, связанных с голограммой, говорит о том, что иногда у двух дуальных систем оказывается разное количество измерений. Физики очень обрадовались этому открытию, поскольку в 1997 году физик Хуан Малдацена предложил "соответствие AdS/CFT", предполагавшее, что наша Вселенная с тремя измерениями (и временем), с теориями квантового поля, описывающими элементарные частицы и их взаимодействия, дуально пространству-времени с большим количеством измерений (пространству анти-де Ситтера), играющему роль в квантовой теории гравитации.

Пока что все открытые нами дуальности соотносят свойства пространства высших измерений и его границы с меньшим числом измерений: уменьшение измерений на единицу. Пока что непонятно, можем ли мы перейти от 10-мерной теории струн к 3-мерной Вселенной так, чтобы они были дуальны друг другу. Двумерные голограммы, создаваемые нами, кодируют только трёхмерную информацию. Мы не можем закодировать четырёхмерную информацию на двумерной голограмме, или трёхмерную Вселенную в одном измерении.

Ещё одна интересная особенность дуальности двух пространств с разными измерениями: на поверхности с меньшим количеством измерений информации меньше, чем в объёме всего пространства, ограниченного поверхностью. Поэтому, если вы можете измерить что-либо происходящее на поверхности, вы можете узнать о том, что происходит внутри объёма. То, что происходит в одной части объёма, может быть связано с тем, что происходит в другом его месте, а не происходить независимо. Это может показаться странным, но тут стоит вспомнить про квантовую запутанность, и то, как измерение свойства одного члена запутанной системы мгновенно сообщает вам информацию о другом. Возможно, что голограмма связана с этой особенностью природы.

Дуальность – математический факт и интригующая физическая возможность. Приведёт ли она к более глубокому пониманию нашей Вселенной? Возможно, но пока мы точно не знаем, как далеко простираются её последствия, и откроет ли она нам переход от калибровочной теории к такой желанной квантовой гравитации. Но надежда имеется. Если Вселенная и впрямь окажется голограммой, то у этого будут именно такие последствия!