Paul Sutter je astrofizičar na Državnom sveučilištu Ohio i glavni znanstvenik u Znanstvenom centru COSI. Sutter je također generalni direktor Pitajte svemirskog i Svemirskog radija i vodi AstroTours širom svijeta. Znanstvenik je predstavio zanimljiv članak u časopisu Expert Voices.
U kasnim 1990-ima, teorijski fizičari otkrili su izvanrednu povezanost dva naizgled nepovezana koncepta u svojoj znanosti. Ta je veza gotovo neshvatljivo tehnička, ali može imati dalekosežne posljedice na naše razumijevanje gravitacije, pa čak i svemira. Da ilustriramo ovu vezu, započnimo s crnom rupom.
Utjecaj crne rupe na protok informacija
Istraživači su otkrili da se, kada jedan komadić informacija pogodi u crnu rupu, njegova površina povećava za vrlo precizan iznos: kvadrat Planckove duljine, jednak nevjerojatno malom 1,6 x 10-35 m.
U početku se možda ne čini posve zanimljivo da crna rupa postaje veća kada materija ili energija u nju uđe, ali najviše iznenađuje činjenica da površina površine, a ne volumen, raste izravno u skladu s pouzdanim informacijama. To je potpuno za razliku od većine drugih poznatih objekata u svemiru.
Promotivni video:
Živimo li u trodimenzionalnom prostoru?
Za većinu objekata s kojima smo upoznati, postoji jedan zakon: ako "pojede" jedan malo informacija, njegov volumen će rasti za jednu jedinicu, a njegova površina će rasti samo za djelić. Ali s crnim rupama situacija se drastično mijenja. Kao da se informacije ne nalaze unutar crne rupe, već se zadržavaju na njenoj površini.
Dakle, crna rupa je potpuno trodimenzionalni objekt u našem trodimenzionalnom svemiru i može se u potpunosti predstaviti dvodimenzionalnom površinom.
Kako djeluju hologrami?
Hologram je sustav koji koristi manje dimenzije. Može pakirati sve podatke iz izvornog sustava.
Na primjer, živimo u tri prostorne dimenzije. Kad pozirate pred kamerom, ona bilježi dvodimenzionalnu sliku vašeg lica, ali ona ne bilježi sve podatke. Kada kasnije ispitate svoj rad i upotrijebite filtar, na primjer, ne možete vidjeti stražnji dio glave bez obzira na to kako rotirate sliku. Ali hologramska snimka zadržavat će sve ove podatke. Iako je ovo 2D prikaz, i dalje ga možete istražiti iz svih 3D kutova.
Crna rupa kao hologram
Opisivanje crne rupe kao hologram moglo bi pružiti rješenje takozvanog paradoksa informacija o crnoj rupi, misterije gdje se informacije rađaju kada tvar prožima crnu rupu. Ali to je tema za drugi članak. Koncept "crne rupe kao hologram" također je dobar primjer koji treba imati na umu prilikom pokušaja pregledavanja cijelog svemira.
Rješavanje privatnih problema
Podudarnost naizgled nepovezanih grana fizike koja se spominje na početku ovog članka još je jedna primjena holografskih tehnika koja proizlazi iz nevjerojatnog modela AdS-CFT.
AdS označava Anti-De Sitter. Ovaj model predstavlja posebno rješenje Einsteinove opće teorije relativnosti. Opisuje potpuno prazan svemir s negativnom prostornom zakrivljenošću.
To je prilično dosadan svemir: ne sadrži materiju ili energiju, a paralelne se linije na kraju odstupaju na temelju položaja podloge. Iako ovaj postupak možda ne opisuje svemir, on barem sugerira da život na zemlji ima početak. Ovaj pomalo opušteni model svemira ima potrebna matematička svojstva kako bi teorija spojeva postala relevantna.
Teorija polja
Druga strana dopisivanja je struktura koja se naziva konformna teorija polja. Teorijska se fizika odbija sa svojim teorijama polja. Ovo su poluge koje znanstvenici koriste za stvaranje raznih kvantnih teorija korištenih za opisivanje tri od četiri sile prirode.
Elektromagnetizam, jaka nuklearna sila i slaba nuklearna sila mogu se opisati teorijom polja, a tijekom proteklih pola stoljeća, čovječanstvo je često prakticiralo njihovu upotrebu.
Treba razumjeti zašto je ta veza toliko važna. Recimo da pokušavate riješiti stvarno težak problem poput kvantne gravitacije koristeći teoriju struna, što je pokušaj da se objasne sve temeljne sile i čestice u svemiru u obliku sitnih vibrirajućih struna. Zapravo, ovo je toliko složen problem da nitko unatoč desetljećima pokušaja nije uspio pronaći rješenje.
AdS-CFT korespondencija govori nam da se holografske tehnike mogu koristiti za uklanjanje svijeta ove glavobolje.
Umjesto da pokuša riješiti problem kvantne gravitacije u našem trodimenzionalnom svemiru, AdS-CFT omogućava nam da se prebacimo na ekvivalentni problem na rubu svemira, koji je predstavljen sa samo dvije dimenzije i ne sadrži gravitaciju.
Jednadžbe teorije polja
Gotovo nemoguće matematičko računanje teorije struna zamjenjuje se nizom jednostavno suludo teških jednadžbi teorije. To vam omogućuje da pronađete rješenja problema bez ikakve gravitacije, što vam onemogućuje prijenos rješenja natrag u uobičajeni trodimenzionalni svemir i bilo kakva predviđanja. Sve to izgleda kao sjajna ideja i način da se zavede priroda zaobilazeći gravitacijske mehanizme. A to bi se moglo pokazati sjajnim načinom "rješavanja" kvantne gravitacije.
Postojeće kontradikcije
Ali trenutno postoje neke kontradikcije. Prvo, ne živimo u anti-de Sitter univerzumu. Naš Svemir pun je materije, zračenja i tamne energije i ima gotovo potpuno ravnu geometriju.
Postoji li slična korespondencija koja djeluje u našem stvarnom svemiru? Možda teoretičari naporno rade na pronalaženju "granice", uzete kao korespondencija AdCa-CFT kozmološkom horizontu - granici onoga što možemo vidjeti u našem promatranom Svemiru.
Sve bi bilo razumljivo, osim trenutka da živimo u dinamičnom prostoru-vremenu s prostorom koji stalno raste, a ta se granica neprestano mijenja. Ova pozicija nije dobro objašnjena u modernim teorijama.
Doista, kad pređemo od modela koji je opisao astrofizičar Sitter do jednostavnijeg modela granica koristeći konformnu teoriju polja, novi sustavi jednadžbi su u osnovi rješivi.
Oni i dalje postoje, ali često izgledaju fantastično, katastrofalno, zastrašujuće i nerešivo.
Dakle, postoji hologram?
Čak i ako se veza AdS-CFT pokazala korisnom za rješavanje problema kvantne gravitacije i fizičari bi mogli pronaći način da se kreću po problemima i da ovu metodu učine relevantnom za svemir u kojem živimo, to ne znači da zapravo živimo u hologramu.
Pogrešno je mišljenje da je model AdS-CFT prikladan način za rješavanje gravitacijskih problema našeg svemira gravitacijom u tri dimenzije.
To je sve iluzija, a mi stvarno živimo u dvodimenzionalnom prostoru bez gravitacije. Matematicki ureaj koliko je ovo prikladno ne mijenja naše poglede na temeljnu prirodu stvarnosti.
Ako su holografski principi korisni za rješavanje problema, to ne znači da živimo u hologramu. A čak i da smo stvarno živjeli u hologramu, ionako ne bismo znali otkriti razliku.
Maya Muzashvili