Взгляд со стороны. Естествознание и религия

Аналогия между растущей площадью чёрной дыры и тенденцией энтропии неуклонно возрастать привела израильского физика-теоретика Якоба Бекенштайна к необычной идее: энтропия чёрной дыры (её информационное содержимое), пропорциональна площади поверхности горизонта событий. Исследуя энтропию как меру информационной ёмкости, Бекенштайн пришёл к удивительному выводу: информация, необходимая для описания любого объекта, ограничена его внешней поверхностью. Такое заключение позволило установить верхний предел энтропии (информационной ёмкости), которая может храниться в заданной ограниченной области пространства, обладающего конечным количеством энергии (граница Бекенштайна). Израильский учёный наметил путь, позволяющий объединить физические понятия энергии и геометрии пространства с абстрактными идеями теории информации.

Герард 'т Хоофт, опираясь на труды Бекенштайна, показал, что вся информация, заключённая в трёхмерном объекте, может быть сохранена в двумерных границах, остающихся после его уничтожения, аналогично тому, как изображение трёхмерного объекта можно поместить и сохранить в двумерной голограмме.

Суть голографической идеи 'т Хоофта состоит в том, что физика трёхмерного содержимого чёрной дыры, в которой присутствует гравитация, путём загадочной трансформации преобразуется в физику над двумерным горизонтом, где она описывается уравнениями без гравитации.

В основу идеи были положены два принципа.

Во-первых 'т Хоофт продемонстрировал, что вся информация, содержащаяся в некоторой произвольной области пространства, может быть представлена в виде «голограммы» и располагаться на границе этой области. Применительно ко всей Вселенной, если перевести данную концепцию на общепонятный язык, весь наш мир и мы сами – не более как двухмерная голограмма.

Во-вторых, согласно голографическому принципу, структуру пространства-времени следует считать состоящей из элементарных неделимых единиц, с линейным размером в одну планковскую длину. Ограничение пространства-времени «пиксельностью» не позволяет беспредельно увеличивать «масштаб изображения» Вселенной и беспредельно проникать в суть вещей. При достижении предельного значения масштаба голографическая Вселенная станет похожей на цифровое изображение плохого качества.

Американский физик, профессор Тель-Авивского и Стэнфордского университетов Леонард Зюскинд развил голографический принцип 'т Хоофта и показал, что конечная информационная ёмкость (энтропия) любой системы зависит не от её объёма, а от площади поверхности, ограничивающей эту систему, и может быть применима к полному физическому описанию любой системы, занимающей определённый объём пространства. Максимальное информационное содержание любой области пространства определяется не её объёмом, а площадью поверхности, ограничивающей объём. На бытовом уровне это примерно соответствует утверждению, что всю без исключения информацию о том, что находится в комнате, можно разместить на стенах, полу и потолку.

Поначалу экстравагантные идеи 'т Хоофта большинство физиков не воспринимали всерьёз. Но поскольку концепция голографического принципа применима к пространству-времени любой размерности, она оказалась чрезвычайно удобной для теории струн. Постоянно растущее количество исследований в разных областях физики также показало, что идея «Вселенной как голограммы» имеет определённый смысл.

В 1997 году физик-теоретик Хуан Малдасена сформулировал идею голографической дуальности или AdS/CFT-соответствие, которое в последствии было многократно и различными способами проверено.

AdS означает «антидесситоровское пространство» – частное решение уравнений Эйнштейна, описывающее абсолютно пустую Вселенную с отрицательной кривизной пространства. В этой Вселенной нет вещества и энергии, а параллельные линии расходятся. Другой стороной этого соответствия является система, известная как конформная теория поля (conformal field theory, CFT).

AdS/CFT-соответствие показывает, что при определённых условиях теория струн эквивалентна квантовой теории поля без гравитации и в меньшем количестве измерений. Следовательно, используя голографический приём, AdS/CFT-соответствие позволяет исключить гравитацию и упростить невероятно сложный математический аппарат струнной теории. Решив определённые задачи, можно попытаться перенести полученный результат в трёхмерную Вселенную и таким образом получить один из возможных способов разрешения проблемы квантовой гравитации.

Однако при переходе от полностью описанной антидеситтеровской Вселенной к более простой пограничной модели, где применима конформная теория поля, новые наборы уравнений разрешимы только в принципе. Они вполне могут остаться такими же безмерно сложными для решения. К тому же мы не живём во Вселенной с антидесситоровским пространством. В реальной Вселенной космологический горизонт постоянно изменяется, и как голографический принцип можно совместить с расширяющейся Вселенной – непонятно[89].