Вселенная — не голограмма

Возможно, физики скоро смогут предложить нам картину мира, которая не сломает наш мозг

Кадр из сериала «Теория большого взрыва»
Кадр из сериала «Теория большого взрыва»
+T -
Поделиться:

На разные научные открытия общественное мнение реагирует с разной скоростью. Если, например, ученые докажут, что от орального секса волосы теряют свой блеск и эластичность, соответствующие заголовки появятся на новостных порталах буквально на следующий день. Но что легко вспыхнуло — быстро сгорает: уже через пару дней публика утратит к новости всякий интерес. Мол, ничего страшного, те же ученые как-нибудь разберутся, добавят чего-нибудь этакого в шампунь, чтобы научное открытие не угрожало привычному балансу повседневной жизни людей.

Но чем нудней и мудренее область науки, чем дальше она от забот и чаяний простого человека, тем больше времени нужно прессе, чтобы отреагировать на новость. Предельный случай — теоретическая физика. Рассчитает теоретик что-нибудь этакое — а никто и не понял, что, собственно, произошло. Может, он там в формуле вообще перепутал синус с косинусом. Сперва ему надо привлечь внимание своих чокнутых коллег-физиков, чтобы они поняли, о чем он толкует, проверили все выкладки, несколько раз обругали друг друга «высокомерными невеждами», как они иногда это делают даже у нас в сообществе. Дай бог, через пару лет забрезжит понимание. Только потом, постепенно, новость привлечет внимание журналистов. И тогда они наконец напишут о сенсационном открытии.

При этом, конечно, все на свете переврав и запутав.

Именно это мы и намерены сейчас проделать.

Открытие, о котором пойдет речь, сделано в далеком 2013 году. Но тогдашнюю статью, написанную Леонардом Сасскиндом и Хуаном Малдасеной, мало кто мог понять, кроме горстки их коллег. Дело немного сдвинулось прошедшей весной, когда Сасскинд прочитал весьма понятную лекцию в Стэнфорде. А теперь, когда Малдасена изложил историю в Scientific American для совсем уж дремучих профанов, весь мир заподозрил, что физики и впрямь напали на след какой-то очень важной тайны Вселенной. Тут настал и наш черед познакомить читателей с этой волнующей темой.

По нашей традиции, чтобы сразу отпугнуть самых поверхностных и непоседливых читателей, начнем мы совсем издалека.

Нечестное преимущество Эйнштейна

Моцарт, конечно, великий композитор, но если бы он сразу после «Реквиема» написал «Аппассионату», симфоническую поэму «Влтава» и балет «Петрушка», было бы, согласитесь, нечестно: Бетховену, Сметане и Стравинскому почти ничего бы не осталось сочинять. Однако в физике как раз подобная неловкость и произошла.

Современная физика, в сущности, состоит из квантовой механики и теории относительности. Теорию относительности в 1904–1918 гг. придумал Альберт Эйнштейн. Один из первых кирпичиков квантовой механики — объяснение фотоэлектрического эффекта, за которое нобелевскую премию получил опять же Эйнштейн. Потом, конечно, Шредингер, Бор и Гейзенберг сделали огромное количество черной работы, но неужели трудно было отложить для кого-то из них и ту первую квантовую нобелевку? Почему одним все, а другим ничего?

Дальше — хуже. На протяжении ХХ века физика выстроилась в довольно стройное здание. Однако в нем был невыносимый конструктивный дефект: две его основных части, квантовая механика и теория относительности, категорически не стыковались друг с другом. При том, что обе они берут истоки в одной и той же голове Эйнштейна, это выглядит, как самая дурацкая шутка. Ну, если уж человек занимался по четным одной теорией, а по нечетным другой, что ему стоило еще чуть-чуть поднапрячься и как-то их согласовать? Но нет, не вышло.

Потом — еще одна гримаса судьбы. В 1935 году, когда и квантовой теорией, и ОТО (общей теорией относительности) уже занимались сотни физиков, тот же Эйнштейн написал две статьи. Одной из них, написанной в соавторстве с Подольским и Розеном, суждено было стать самой цитируемой статьей в истории физики (по имени авторов она известна как EPR). В ней Эйнштейн обрисовал парадокс, порождаемый, по его мнению, квантовой механикой: две частицы, рожденные в результате некоторых процессов, оказываются «запутанными», то есть любая из них мгновенно реагирует на изменение (точнее, на измерение) состояния другой независимо от расстояния, которое их разделяет. Эйнштейн назвал это «зловещим действием на расстоянии» — из-за таких штук он, кажется, до конца жизни так и не полюбил им же придуманную квантовую механику.

Другая статья, написанная в соавторстве опять же с Розеном, вошла в историю как ER и рассматривает одно забавное следствие теории относительности: две черные дыры, оказывается, могут быть соединены своеобразным пространственно-временным тоннелем, известным как «кротовая нора». Есть ли на свете такие норы или нет, но теория относительности их не запрещает.

Стоит ли говорить, что и запутанные частицы, и кротовые норы получили в научно-популярных книжках самое широкое паблисити. На первых основана квантовая телепортация, на вторых — всякие фантастические машины времени и хитрые приспособления для мгновенных межзвездных перелетов. То есть две главные научно-популярно-фантастические фишки ХХ века — тоже дело рук Эйнштейна, причем породил он их практически одновременно.

Последнего выверта фортуны оставалось ждать еще 80 лет. Наконец, в 2013 году Сасскинд и Малдасена показали, что квантовая запутанность и кротовые норы — это, в сущности, одно и то же. Свою идею авторы кратко обозначили формулой ER=EPR, как раз по сокращенным названиям тех самых эйнштейновских статей 1935 г. Прочитав их работу, физики стали все смелее заговаривать о том, что, возможно, тут-то и лежит путь к согласованию квантовой теории и релятивизма — и, как следствие, приведению всей физики к единому стройному виду.

При чем тут голограммы

Первый невнятный намек на то, что у квантовой механики и ОТО может быть что-то общее, пришел в 1998 году. Не слишком известный аргентинский физик Хуан Малдасена сделал доклад, из которого явствовало, что в математических расчетах формулы квантовой механики можно заменить на формулы релятивистики — надо только добавить пространству еще одно измерение. Этот фокус назвали AdS-CFT-эквивалентностью (AdS — это такое особое «пространство анти-де Ситтера», к которому приводит теория Эйнштейна в пустом пространстве, а CFT — конформная теория поля, штука беспросветно квантовая). Расчеты это сильно упрощало, но что все это значит, никто толком не понимал. Одно из ви́дений таково: мы живем в трехмерном мире, где тела притягивают друг друга, массы искривляют пространство и происходит вся прочая эйнштейновская ерунда. Однако чтобы описать эту ерунду, достаточно рассмотреть квантовые поля на удаленной границе — своего рода внешней оболочке этого мира. На этой тонкой пленке никакой гравитации нет, там происходит (математически) нечто совсем другое. И это «другое» порождает всю видимость нашего трехмерного мира.

В этой картинке многое шито белыми нитками, но общественности она сразу приглянулась. Какой хороший способ расправиться со всеми сложностями нашего мира — просто считать, что на самом деле никакого мира нет! Есть странный узор на его поверхности, который, как в голографии, рождает всю эту видимость. А раз все только видимость — то пусть в ней разбираются безумные теоретики, а нам с этой Вселенной и так все ясно: ее попросту нет.

Статьи с названиями «Наш мир — это голограмма» начали расползаться по научно-популярным изданиям. Расползались они рывками, получая новый импульс каждый раз, когда физикам удавалось сделать какой-нибудь новый интересный расчет на основе AdS-CFT-эквивалентности. Расчетов таких было немало, и за полтора десятилетия теоретики неплохо набили руку в том, чтобы прыгать от тензорных уравнений ОТО к квантовым полям и обратно — а простой обыватель в очередной раз читал в разделе «Наука» не очень внятное лопотание про голограммы.

Тем временем Леонард Сасскинд помимо прочих своих дел спорил со Стивеном Хокингом о всяких парадоксах черных дыр. Об этом он написал замечательную книжку «Битва при черной дыре», благодаря которой и стал известен профанной публике. За предысторией вопроса (с его стороны) отсылаем читателя к этой книге.

А потом однажды Сасскинд заболтался с Хуаном Малдасеной о разных физических разностях, что и привело к появлению той самой статьи 2013 года.

Что сделали Сасскинд и Малдасена

Ну, конечно, не одни они. Как только у физиков появился такой замечательный инструмент, как AdS-CFT — то есть возможность иногда подменять квантовую механику теорией относительности и наоборот, — многим стало любопытно, чему же именно соответствуют те или иные элементы этой самой квантовой механики. Об одной попытке в этом разобраться мы тут как-то писали: канадский физик Ван Рамсдонк обнаружил, что квантовая запутанность может соответствовать такому фундаментальному свойству классического мира, как связность (то есть, попросту говоря, геометрия) пространства-времени. Очень важное наблюдение — жаль, что не очень понятное.

Но на Малдасену и Сасскинда большое впечатление произвела другая работа: некий парадокс, возникающий, когда квантово-запутанные штуки оказываются внутри черной дыры. Они взялись разобраться в этом парадоксе. А разобравшись, написали свою статью.

Если говорить совсем уж попросту, там речь вот о чем. Представим себе двух наблюдателей — Малдасена для ясности назвал их Ромео и Джульеттой* — которых судьба безжалостно разнесла на огромное расстояние. К счастью, у каждого их них было по мешку квантово-запутанных частиц. Обычно в популярных статьях наши герои начали бы измерять состояния своих частиц, и оказалось бы, что стоит Ромео что-то измерить, как частица в мешке у Джульетты тотчас приобретает строго определенную характеристику. На этом основана квантовая телепортация. Любовникам, наверное, приятно было бы сознавать эту невидимую связь, но общаться, то есть мгновенно передавать информацию, они таким способом не смогут, принцип причинности мешает.

Зато они могут сделать кое-что поинтереснее. Ромео и Джульетта начинают строить из своих запутанных частиц две удаленные черные дыры. Наконец, работа закончена. Полюбовавшись на новенькие дыры, мягко поблескивающие хокинговым излучением, любовники вниз головой бросаются туда — каждый в свою дыру...

...И там происходит радостная встреча! Потому что у двух дыр, построенных в разных местах из запутанных частиц, будет общее нутро. То есть снаружи это разные дыры, а внутри — одна и та же.

Именно этот результат получили Малдасена и Сасскинд. А если точнее, получили они вот что: математическое описание квантовой запутанности в черных дырах оказалось эквивалентным** тому самому решению Эйнштейна-Розена, которое описывает кротовые норы. То есть, по крайней мере в конкретном случае, квантовая запутанность и пространственно-временной тоннель описываются одной и той же математикой. А значит, это просто одно и то же явление.

Это свойство физических уравнений теоретики назвали ER=EPR, в честь тех давних статей Эйнштейна. Оказалось, что два физических феномена, озадачивших Эйнштейна в 1935 году — причем одно из них его, кажется, заинтриговало, а второе не на шутку раздосадовало — оказались одним и тем же явлением.

Что все это значит

Строго говоря, результаты Малдасены и Сасскинда относятся к одному конкретному случаю: когда запутанные частицы пересекают горизонт события. Однако многие как-то сразу подумали, что это, скорее всего, частный случай общего правила: там, где есть квантовая запутанность, есть и кротовая нора. А это значит, что наконец-то наметился путь согласования квантовой теории и релятивизма, двух главных интеллектуальных детищ Альберта Эйнштейна. Эта история страшно вдохновила физиков. К примеру, возник проект It from Qubit, участники которого ставят себе амбициозную задачу: показать, как именно пространство-время возникает из запутанных состояний квантовых битов информации.

Простого человека из народа, вроде нас с вами, физика интересует только как возможность выстроить себе для личного пользования картину мира, которая хоть как-то соответствовала бы реальному положению дел, то есть не была бы уж слишком невежественной. Современная физика до сих пор противилась такому с ней обращению. В ней есть несколько хитрых фокусов, которые в обычную голову укладываются с большим трудом.

Вот, например, кот Шредингера: одновременно жив и мертв, ну как так?! Чтобы запутать все еще сильнее, некоторые физики настаивают на так называемой Эвереттовской интерпретации квантовой механики: мол, каждый раз, когда вы лезете проверять кота, Вселенная расщепляется на две параллельные, в одной из которых кот жив, а в другой мертв (знающие люди, простите автору эту профанацию).

Или другая история: частица пролетает одновременно через две щели в экране. Тоже, знаете ли, плохо укладывается в голове. Наконец, квантовая телепортация — совсем уж загадочная штука, хоть уже применяется в реальности для криптографии. Все эти сложности так и искушают нас махнуть рукой и сказать: «Да ну его к черту, этот мир с такими дурацкими правилами игры — все равно ж физики доказали, что это просто голограмма!»

Но оказывается, что фокус под названием ER=EPR неплохо помогает уложить все это в голове, придавая квантовому миру вполне реальный и ощутимый смысл. Именно это и попытался показать Леонард Сасскинд в своей стэнфордской лекции. Если наш читатель случайно сам физик, не верьте нам на слово, прочтите эту лекцию. Если же он не физик, тогда ладно, верьте: Сасскинд по очереди разобрал Шредингеровского кота (вместе с Эвереттовскими множественными мирами и еще одним персонажем — «другом Вигнера», кто слышал о нем, тот поймет), фокус с двумя дырками в экране и телепортацию, чтобы прийти к выводу: кротовые норы, возникающие из квантовой запутанности, придают всему этому неожиданно ясный смысл. Вполне пригодный для укладки в голову среднего потребителя единых картин мира.

А раз так, то в мутных заголовках популярных статей типа «Мы живем в голограмме» отпадет всякая необходимость***. Скоро мы все сможем объяснить друг другу без этих выкрутасов, обычными человеческими словами.

___________

*Примечание 1, для гуманитариев: а не Алисой и Бобом, как это обычно принято в популярных статьях о квантовой механике. Возможно, это самый очевидный для нас, профанов, признак революции, происходящей в этой области науки.

**Примечание 2, для вундеркиндов. Если вы недоумеваете, как из аппарата AdS-CFT, требующего вообразить особый мир с другим числом измерений, следуют такие выводы о реальном трехмерном мире, обратите внимание на то, что квантово-запутанные частицы из мешка Алисы и Боба оказываются на горизонте событий черных дыр, а это двумерные поверхности.

***Примечание 3, для упрямого любителя голограмм. «Не, ну а голографический принцип-то никуда не делся?» — спросит он. Слово для ответа предоставляется Леонарду Сасскинду, и не моя вина, если вы его неправильно поймете: «Нынешний источник всяческой мудрости, теория AdS-CFT, дала огромный толчок квантовой гравитации, но ею все не исчерпывается. Почему в AdS-CFT мы никогда не ставим тех вопросов, которые поднимает <Эвереттовская> «формулировка относительных состояний»? Этому есть причина: существование асимптотической границы. Теория построена так, что внешний «сверхнаблюдатель» может манипулировать с CFT и делать измерения, но этот сверхнаблюдатель не часть системы. Для такого сверхнаблюдателя копенгагенской интерпретации (с коллапсом волновой функции) совершенно достаточно. Но рано или поздно придется выйти из безопасной зоны асимптотически холодных границ и сформулировать теорию, в которой Вселенная предстает как переплетенная сеть запутанных подсистем, без выделенного сверхнаблюдателя. Я ожидаю, что когда это произойдет, ER=EPR станет одним из краеугольных камней этой теории».

Комментировать Всего 25 комментариев

"Эйнштейн назвал это «зловещим действием на расстоянии» "

Spooky все же точнее перевести как "пугающее", "странное", "напрягающее", "потустороннее", Алексей. 

Спасибо за обзор, конечно. Недавно я попытался пояснить, почему квантовые парадоксы навсегда парадоксами и останутся. Если коротко, то потому, что они тесно связаны с непостижимой для физики и одновременно связанной с ней свободой воли. 

Эту реплику поддерживают: Алексей Алексенко

Любопытная точка зрения. Я бы скорее сказал, что они еще раньше связаны с непостижимой для физики концепцией вероятности, но это, возможно, вообще одно и то же. 

Вероятность сама по себе к парадоксам не приводит, Алексей. КМ парадоксы— в корпускулярно-волновом дуализме, а не просто в вероятностном описании. Если бы точечный электрон всего лишь с какой-то вероятностью p проходил через одну щель, а с вероятностью 1-p через другую, но не через обе сразу, парадокса бы не было. 

Эту реплику поддерживают: Alexei Tsvelik, Сергей Любимов

Ну так и свобода воли сама по себе к парадоксам не приводит. А только в сочетании с физикой. Парадокс вероятности в том, что это величина, которую КМ позволяет совершенно точно вычислить, но никакая наука не способна совершенно точно определить. Иногда и вообще определить хоть как-нибудь. 

"Парадокс вероятности в том, что это величина, которую КМ позволяет совершенно точно вычислить, но никакая наука не способна совершенно точно определить."

Не соглашусь. Вероятность определяется, и операционно, как частотный предел. Именно поэтому КМ предсказания вероятностей проверяемы и опровергаемы в эксперименте. Вообще парадоксы КМ все проистекают из одного: корпускулярно-волнового дуализма. В дуализме дело, а не в вероятностях, которые сами по себе к парадоксам не приводят. 

Ну вот, например, в принципе можно точно вычислить (если конечно знать чуть больше чем известно сейчас) вероятность (в ед. времени) коллапса квазистабильного ложного вакуума, в котором мы с вами имеем честь обитать. Каков смысл этой величины? Как бы вы определили ее как частотный предел?

Если бы такая вероятность была вычислена, то она определила бы ожидаемое время жизни Вселенной. Эта величина делала бы теорию опровергаемой. Например, если рассчитанное таким образом время жизни Вселенной оказалось бы равным миллиону лет, отсюда бы следовало, что теория ложна. 

На мой вкус, это просто схоластические игры с физически бессодержательным числом "вероятность уникального события". Игры по правилам, приписанным к физике извне, фактически из психологии.  Заметьте, вы готовы отвергать по этим правилам теории, но при этом не можете сформулировать определение рассчитанной величины: что значит "ожидаемое время" в случае единственного опыта? 

Впрочем, мы с вами уже об этом беседовали по поводу антропного принципа, незачем повторяться.

А дело здесь не в "моих правилах" и не в "играх", Алексей. Таких "правил" придерживается научная среда, отбросившая бы подобную теорию без колебаний. 

Ну я про научную среду и говорю. Научная среда и вероятностями пользуется без проблем. Но к счастью для научной среды, она иногда переосмысляет свои правила и концепции. И старается не проецировать методологию своей науки на изучаемый предмет.

Но та sppoky thing, которую я имею в виду – это то, что КМ позволяет вычислить эту странную бессодержательную величину с любой точностью. И чем больше точность, тем очевиднее, что этой величине ничего не соответтствует в реальном мире, если не поминать всякие мультиверсные континуумы.

То есть не существует никакого способа измерить экспериментально величину, точно вычисляемую на основании теории? Вас бы устроила физическая теория, где в точные уравнения входила, например, масса, но на практике про массу можно было бы сказать только "большая" она или "маленькая"? Ну да, так можно было бы опровергать теории: из расчетов получается 1000 тонн, (а "в науке принято" считать такую массу "большой") – а наше измерение дает результат "маленькая". Значит, наша теория неверна. Это реально новое слово в эпистемологии.

Границы познания разнообразны, в данном случае— одна из них, где проверяемость/опровергаемость есть, но в виде неравенства с размытой границей. Это обстоятельство, однако же, не делает саму концепцию вероятности источником парадоксов или противоречий. 

Это обстоятельство не делает концепцию вероятности источником парадоксов

Еще как делает, и одному из этих парадоксов вы посвятили значительные интеллектуальные усилия. Этот парадокс состоит в том, что возникновение наблюдаемой вселенной "маловероятно", если за ней не стоит целеполагающее Начало. А поскольку Гагарин в космос летал и, как известно, бога не видел, никакого такого Начала не бывает, вот вам и парадокс.

Впрочем, это сейчас я шучу, а в целом спасибо вам за разговор. 

И Вам спасибо, Алексей. При дискуссиях с Вами у меня нередко возникает подозрение, что Ваши возражения на самом деле не Ваши, но придумываются Вами ради некоего абстрактного читателя, не слишком осведомленного, но любознательного. Придумываются, чтобы вытянуть Вашего оппонента на разъяснения того, что этому воображаемому читателю могло бы быть неясно.

На всякий случай: это не упрек :)

Эту реплику поддерживают: Алексей Алексенко

В некотором смысле вы правы, я стараюсь не иметь мнения по вопросам, в которых недостаточно хорошо ориентируюсь. Но нет, это не только для читателя, мне действительно интересно выяснить, насколько кажущиеся слабости обсуждаемых концепций – действительно кажущиеся, а наскольо они и впрямь подрывают эти концепции. Скажу честно, что проблему вероятности я по итогам нашего разговора закрытой для себя не считаю. И кстати, да, она непосредственно связана с проблемой свободы воли, конечно.

А spooky как только не переводят. На самом деле точнее всего, наверное, что-то вроде «леденящее кровь», но куда ж мы с нашим русским причастием в калашный ряд коротких английских прилагательных. 

Spooky имеет явный оттенок пугающе-потустороннего, оно и этимологически связано с привидениями. Да и по смыслу, это запутывание подобно проявлению иного мира. Я бы перевел "пугающее действие на расстоянии". 

Это тоже причастие, со всей его врожденной кособокостью. Пусть профессиональные переводчики подумают еще.

На мой взгляд, самое то. Но тут дело вкуса, конечно.

Эту реплику поддерживают: Алексей Алексенко

Должен всех разочаровать. AdS-CFT работает только для одной единственной математической модели (N=4 суперсимметричная теория Янга Миллса), которая описывает неизвестно чего. Так что утверждать чего либо положительно на ее основе пока невозможно.

Алексей, ну это же явно не я "утверждаю на ее основе", и кстати Сасскинд тоже не этим занимался, это просто предыстория вопроса.

А вы считаете, что эта история – просто новое увлечение релятивистов, которое ни к чему не приведет? Все же реально множество людей туда ушли копать.

Похоже на новое увлечение. Да уже не такое и новое.

Эту реплику поддерживают: Алексей Алексенко