Почему физики всерьёз считают, что нашего пространства не существует?

Мы привыкли воспринимать окружающий мир как нечто совершенно очевидное и фундаментальное. У любого предмета есть длина, ширина и высота. Мы можем измерить его объём, определить расстояние до соседнего объекта и установить, где именно он находится. Нам кажется, что трёхмерное пространство — это основа реальности, существующая сама по себе.

Но современная физика подводит нас к совершенно другой странной мысли. А что, если трёхмерное пространство не является фундаментальным? Что, если оно возникает из чего-то гораздо более простого, а привычная нам объёмная Вселенная в действительности представляет собой своеобразную проекцию информации, существующей в меньшем количестве измерений?

И самое интересное заключается в том, что появился он не из попыток доказать, будто мы живём в матрице. Всё началось с чёрных дыр.

Пространство, которое может оказаться иллюзией

Начнём с простого вопроса. Что вообще представляет собой пространство?

Для нас это своего рода вместилище, в котором находятся материальные объекты. Есть комната, в ней стоит стол, на столе лежит яблоко. У каждого предмета есть определённое положение, размеры и объём. Мы измеряем расстояния, сравниваем размеры и описываем взаимное расположение объектов.

Но если задуматься, всё это фактически сводится к измерениям. Мы определяем, насколько далеко один предмет находится от другого, сколько места занимает объект и как меняется его положение. В современной физике пространство рассматривается вместе со временем как единая четырёхмерная структура — пространство-время. Три измерения отвечают за пространственные координаты, а четвёртое связано со временем.

Однако мы до сих пор не имеем окончательного ответа на вопрос, почему пространство вообще существует и откуда оно взялось.

Одни физические модели рассматривают пространство-время как фундаментальную структуру. Другие допускают, что оно могло возникнуть вместе с материей или в результате определённых физических процессов. Есть и более радикальные подходы, в которых пространство рассматривается как производное явление, возникающее из взаимодействия более фундаментальных сущностей.

И здесь появляется идея, которая переворачивает привычную картину мира. Возможно, пространство не является первичной реальностью. Возможно, оно возникает из чего-то другого. Причём это другое может иметь меньше измерений, чем окружающий нас мир. Именно такую возможность исследует голографический принцип.

Как из плоскости получается объём

Чтобы понять, о чём вообще идёт речь, сначала нужно разобраться с обычной голограммой.

Представьте, что перед вами находится плоская поверхность с особым изображением. В отличие от обычной фотографии, информация в голограмме записывается таким образом, что при правильном освещении мы можем увидеть объёмную картину.

Двумерная запись позволяет восстановить изображение трёхмерного объекта.

Здесь есть один важный нюанс. Голограмма не создаёт настоящий материальный предмет в воздухе. Она позволяет получить световую картину, которая воспринимается нами как объёмное изображение. Для этого используются сложные способы записи и восстановления световых волн.

Вспомните хотя бы знаменитые голограммы из «Звёздных войн», когда изображение человека появляется прямо в пространстве. Реальные технологии пока не позволяют в точности воспроизвести такую картину, но сама идея передачи объёмной информации посредством двумерной записи вполне реальна.

Теперь представьте, что нечто подобное может происходить со всей нашей Вселенной. Только речь идёт не о световом изображении, которое мы видим глазами, а о гораздо более фундаментальном физическом процессе. Согласно голографическому принципу, информация, необходимая для описания некоторой области пространства, может быть представлена на её границе.

Мы воспринимаем мир как трёхмерный, но его физическое описание в определённых теориях может быть сведено к информации, существующей на поверхности с меньшим количеством измерений. И это не просто красивая аналогия. У этой идеи есть вполне конкретное физическое происхождение.

Чёрные дыры поставили физиков в тупик

Всё началось с попыток понять природу чёрных дыр. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, чёрная дыра возникает в результате чрезвычайно сильного искривления пространства-времени. Внутри горизонта событий гравитация настолько велика, что даже свет не может выбраться наружу.

Долгое время чёрные дыры рассматривались преимущественно через их гравитационные характеристики. Однако в XX веке физики Джейкоб Бекенштейн и Стивен Хокинг обнаружили нечто неожиданное.

Оказалось, что чёрные дыры обладают энтропией и температурой. Почему это так важно?

Температура и энтропия обычно ассоциируются с физическими системами, состоящими из множества микроскопических составляющих. Например, если мы нагреваем воду, то меняется энергия движения её молекул. Энтропия позволяет описывать количество возможных микроскопических состояний системы. Но чёрная дыра в классическом представлении общей теории относительности связана с совершенно необычной областью пространства-времени. Более того, в её центре теория предсказывает сингулярность — состояние, в котором привычное описание физики перестаёт работать.

И здесь возникает парадокс. Бекенштейн и Хокинг показали, что энтропия чёрной дыры пропорциональна не её объёму, а площади горизонта событий. Это принципиально необычный результат.

Представьте обычную коробку, заполненную яблоками. Логично предположить, что количество яблок, которое можно в неё поместить, связано с объёмом коробки. Но с чёрной дырой получается совсем другая история. Количество информации, которое она может содержать, оказывается связано с площадью её поверхности.

Причём речь идёт не просто о приблизительной зависимости. Эта закономерность выражается в фундаментальной формуле Бекенштейна — Хокинга, связывающей энтропию чёрной дыры с площадью её горизонта событий.

Почему природа устроена именно так? Что заставляет информацию вести себя подобным образом? В какой-то момент физики начали понимать, что перед ними может быть не просто необычное свойство чёрных дыр, а подсказка к гораздо более фундаментальному устройству реальности.

Голографический принцип

Если информация о чёрной дыре связана с площадью её горизонта событий, возникает естественный вопрос. А что, если подобный принцип действует не только для чёрных дыр?

В определённом смысле получается, что для описания объёмного мира нам необязательно обращаться к информации, распределённой по всему этому объёму. Достаточно информации, содержащейся на поверхности, которая его ограничивает. Здесь важно не перепутать физическую идею с обычной голограммой. Никто не утверждает, что где-то существует гигантская пластинка, на которой записана наша Вселенная, а мы представляем собой световые изображения.

Речь идёт о математическом соответствии между физическими теориями, описывающими системы с разным количеством измерений.

И здесь начинается самое интересное. Одним из наиболее серьёзных оснований для развития голографического принципа стала работа физика Хуана Малдасены, опубликованная в 1997 году. Он предложил математическую связь между двумя на первый взгляд совершенно разными теориями.

Эта связь получила название AdS/CFT-соответствия.

Две теории, которые описывают одну реальность

Чтобы понять значение работы Малдасены, придётся немного углубиться в теоретическую физику.

С одной стороны, у нас есть теория струн. Это подход, согласно которому фундаментальные составляющие материи могут представлять собой не точечные частицы, а чрезвычайно маленькие протяжённые объекты — струны. В определённых вариантах теории струн присутствует гравитация.

С другой стороны, существует квантовая теория поля. Она описывает физические поля и взаимодействия частиц, но в рассматриваемой Малдасеной модели гравитация в привычном смысле не входит в её описание.

Малдасена обнаружил удивительную математическую связь.

Оказалось, что определённая теория гравитации в пространстве с дополнительным измерением может быть эквивалентна квантовой теории поля, существующей на его границе и имеющей на одно измерение меньше. Это и есть знаменитое AdS/CFT-соответствие.

Если говорить совсем просто, две совершенно разные математические системы могут описывать одну и ту же физическую реальность. Причём одна из них содержит гравитацию и больше измерений, а другая обходится без гравитации и имеет меньше измерений. Получается, что объёмное пространство с гравитацией можно описать посредством теории, существующей на его двумерной границе.

Здесь голографический принцип получает особенно серьёзное математическое основание.

Разумеется, речь идёт о конкретной математической модели с определёнными свойствами пространства-времени, а не о доказательстве того, что вся наша Вселенная устроена точно таким же образом. Но сама возможность подобного соответствия оказалась настолько важной, что изменила направление исследований в теоретической физике.

Значит ли это, что мы живём в матрице?

Вот теперь можно вернуться к самому интересному вопросу.

Если трёхмерное пространство в определённых физических моделях может возникать из двумерного описания, то что вообще представляет собой наша реальность? Возможно, привычные нам измерения не являются фундаментальными характеристиками мира. Возможно, они возникают как результат взаимодействия более простых физических сущностей. И тогда появляется очень необычная мысль. То, что мы воспринимаем как объём, расстояние и даже само пространство, может быть производным свойством некоторой более глубокой системы.

В таком случае окружающий мир действительно можно сравнить с информационной конструкцией. Только не стоит сразу делать вывод, что мы живём внутри компьютерной игры. Ведь даже если пространство возникает из информации, это совершенно не означает, что оно ненастоящее. Температура тоже является характеристикой системы, возникающей из поведения огромного количества частиц. Но попробуйте сказать человеку, который обжёг руку, что температура — всего лишь производное свойство.

Для него она вполне реальна. С пространством может оказаться похожая история. Даже если оно не является фундаментальным, это не отменяет его физических свойств и не делает окружающий мир иллюзией в бытовом смысле.

Что нам даст понимание голографической Вселенной?

На первый взгляд может показаться, что всё это не имеет никакого практического значения. Какая разница, существует ли пространство само по себе или возникает из более фундаментальной структуры?

Если мы хотим построить дом, забить гвоздь или приготовить обед, нам совершенно неважно, является ли окружающая реальность голографической. Но фундаментальная физика никогда не ограничивалась задачами, которые можно немедленно применить на практике.

Когда-то представления о пространстве и времени казались исключительно философскими вопросами. Однако именно исследования этих понятий привели к созданию теории относительности, которая сегодня лежит в основе работы спутниковой навигации.

Понимание природы пространства, времени и гравитации может оказаться гораздо важнее, чем нам кажется сейчас.

Если пространство действительно является производным свойством более фундаментальной системы, это заставит нас совершенно иначе взглянуть на происхождение Вселенной, природу гравитации, энтропию и даже направление времени. Возможно, однажды мы получим возможность описывать физические процессы совершенно другими математическими средствами. Возможно, это откроет новые способы управления физическими системами, которые сегодня кажутся недоступными.

Но здесь важно не забегать вперёд. Голографический принцип сам по себе не обещает нам телепортацию, путешествия во времени или вечный двигатель. Это пока совершенно другие вопросы, для которых нет соответствующих физических оснований.

И всё-таки ценность подобных исследований именно в том, что они позволяют нам искать фундаментальные закономерности, не ограничиваясь привычной картиной мира. В этом, пожалуй, и есть цель науки.

Традиционно вопрос о голографическом принципе я разобрал на своем канале в этом видео. Полезно для расширения познаний по теме.