Paul Sutter on astrofysiikko Ohion osavaltion yliopistossa ja johtava tutkija COSI-tiedekeskuksessa. Sutter on myös Ask Spacemanin ja Space Radion toimitusjohtaja ja johtaa AstroToursia ympäri maailmaa. Tutkija esitti mielenkiintoisen artikkelin Expert Voices -lehdessä.
1990-luvun lopulla teoreettiset fyysikot löysivät merkittävän yhteyden kahden näennäisesti toisiinsa liittymättömän käsitteen välillä tiedessään. Tämä yhteys on melkein käsittämättömästi tekninen, mutta sillä voi olla kauaskantoisia vaikutuksia painovoiman ja jopa maailmankaikkeuden ymmärtämiseen. Tämän yhteyden havainnollistamiseksi aloitetaan mustalla aukolla.
Musta aukon vaikutus tiedonkulkuun
Tutkijat havaitsivat, että kun yksi bitti tietoa osuu mustaan reikään, sen pinta-ala kasvaa erittäin tarkasti: Planckin pituuden neliö, joka on uskomattoman pieni 1,6 x 10-35 m.
Aluksi ei ehkä tunnu täysin mielenkiintoiselta, että musta reikä kasvaa, kun ainetta tai energiaa pääsee siihen, mutta yllättävintä on, että pinta-ala, ei tilavuus, kasvaa suoraan suhteessa luotettavaan tietoon. Tämä on täysin erilainen kuin useimmat muut maailmankaikkeuden tunnetut esineet.
Mainosvideo:
Elämmekö kolmiulotteisessa tilassa?
Suurimmalle osalle tuttuja kohteita on yksi laki: jos se "kuluttaa" yhden bitin tiedon, sen tilavuus kasvaa yhdellä yksiköllä ja sen pinta-ala kasvaa vain murto-osalla. Mutta mustien reikien myötä tilanne muuttuu dramaattisesti. Vaikuttaa siltä, että tieto ei sijaitse mustan aukon sisällä, vaan tarttuu sen pintaan.
Siksi musta reikä on täysin kolmiulotteinen esine kolmiulotteisessa universumissamme ja sitä voi edustaa täysin kaksiulotteinen pinta.
Kuinka hologrammit toimivat?
Hologrammi on järjestelmä, joka käyttää vähemmän ulottuvuuksia. Se voi pakata kaikki tiedot alkuperäisestä järjestelmästä.
Elämme esimerkiksi kolmessa tilamitassa. Kun poseerat kameran edessä, se tallentaa kaksiulotteisen kuvan kasvoistasi, mutta se ei kaappaa kaikkia tietoja. Kun tutkit myöhemmin työtäsi ja käytät suodatinta, et voi esimerkiksi nähdä pään takaosaa riippumatta siitä, kuinka kuvaa käännät. Mutta hologrammitallennus säilyttää kaikki nämä tiedot. Vaikka tämä on 2D-näkymä, voit silti tutkia sitä kaikista 3D-kulmista.
Musta reikä hologrammina
Kuvailemalla mustaa reikää hologrammina voisi tarjota ratkaisun ns. Mustan aukon tietoparadoksiin, salaisuuteen, missä informaatio syntyy, kun musta aukko vie aineen. Mutta se on toisen artikkelin aihe. Käsite "mustasta aukosta hologrammina" on myös hyvä esimerkki, joka pitää mielessä, kun yritetään tarkastella koko maailmankaikkeutta.
Yksityisten ongelmien ratkaiseminen
Tämän artikkelin alussa mainittu, näennäisesti toisiinsa liittymättömien fysiikan haarojen välinen vastaavuus on toinen holografisten tekniikoiden sovellus, joka tulee uskomatonta AdS-CFT-mallia.
AdS on Anti-De Sitter. Tämä malli edustaa erityistä ratkaisua Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Se kuvaa täysin tyhjää universumia, jolla on negatiivinen tilakaarevuus.
Se on melko tylsä maailmankaikkeus: se ei sisällä mitään asiaa tai energiaa, ja rinnakkaisviivat lopulta eroavat taustalla olevan geometrian sijainnin perusteella. Vaikka tämä prosessi ei välttämättä kuvaa maailmankaikkeutta, se ainakin viittaa siihen, että maapallon elämällä on alku. Tällä maailmankaikkeuden hiukan rento mallissa on tarvittavat matemaattiset ominaisuudet yhdistelmäteorian tekemiseksi merkitykselliseksi.
Kenttäteoria
Kirjeenvaihdon toinen puoli on rakenne, jota kutsutaan konformaaliksi kenttäteoriaksi. Teoreettinen fysiikka torjuu kenttäteoriansa kanssa. Nämä ovat vivut, joita tutkijat ovat käyttäneet luomaan erilaisia kvantiteorioita, joita käytetään kuvaamaan kolmea luonnon neljästä voimasta.
Sähkömagneetismia, voimakasta ydinvoimaa ja heikkoa ydinvoimaa voitaisiin kuvata kentateorian avulla, ja viimeisen puolen vuosisadan aikana ihmiskunta on usein harjoittanut niiden käyttöä.
On ymmärrettävä, miksi tämä yhteys on niin tärkeä. Oletetaan, että yrität ratkaista todella kovan ongelman, kuten kvanttigravitaation, jousiteorian avulla, joka on yritys selittää kaikki maailmankaikkeuden perusvoimat ja hiukkaset pienten värisevien merkkijonojen muodossa. Itse asiassa tämä on niin monimutkainen ongelma, että kukaan ei ole löytänyt ratkaisua sille huolimatta vuosikymmenten kokeilusta.
AdS-CFT-kirjeenvaihto kertoo meille, että holografisia tekniikoita voidaan käyttää päästämään maailma päänsärkystä eroon.
Sen sijaan, että yrittäisimme ratkaista kvanttigravitaation ongelma kolmiulotteisessa universumissamme, AdS-CFT antaa meille siirtyä vastaavaan ongelmaan maailmankaikkeuden reunalla, jota edustaa vain kaksi ulottuvuutta ja joka ei sisällä painovoimaa.
Kenttäteoriayhtälöt
Merkkijonoteorian melkein mahdoton matemaattinen laskenta on korvattu joukolla yksinkertaisesti mielenkiintoisia vaikeita kenttäteoriayhtälöitä. Tämän avulla voit löytää ratkaisuja ongelmiin ilman painovoimaa, mikä estää sinua siirtämästä ratkaisua takaisin normaaliin kolmiulotteiseen maailmankaikkeuteen ja tekemään mahdollisia ennusteita. Se kaikki näyttää hienolta idealta ja tapana huijata luontoa ohittamalla painovoimamekanismit. Ja se voisi osoittautua loistavaksi tapaksi "ratkaista" kvanttipaino.
Olemassa olevat ristiriidat
Mutta tällä hetkellä on joitain ristiriitoja. Ensinnäkin, emme elä anti-de Sitter -universumissa. Universumimme on täynnä ainetta, säteilyä ja tummaa energiaa ja sillä on melkein täysin tasainen geometria.
Onko olemassa vastaavaa kirjeenvaihtoa, joka toimii oikeassa maailmankaikkeudessa? Ehkä teoreetikot työskentelevät ahkerasti löytääkseen "rajan", joka otetaan AdCa-CFT-kirjeenvaihtoon kosmologisen horisontin kanssa - rajan sille, minkä voimme nähdä havaittavissa olevassa universumissamme.
Kaikki olisi ymmärrettävää, paitsi hetki, jolloin elämme dynaamisessa avaruus-tilassa jatkuvasti kasvavan tilan kanssa ja tämä raja muuttuu jatkuvasti. Tätä asemaa ei selitetä hyvin nykyaikaisissa teorioissa.
Todellakin, kun siirrymme astrofysiikka Sitterin kuvaamasta mallista yksinkertaisempaan rajamalliin, joka käyttää konformaalista kenttäteoriaa, uudet yhtälöjärjestelmät ovat pohjimmiltaan ratkaistavissa.
Niitä on edelleen, mutta ne näyttävät usein fantastisilta, tuhoisilta, pelottavilta ja liukenemattomilta.
Joten onko olemassa hologrammia?
Vaikka AdS-CFT-linkki osoittautui hyödylliseksi kvanttigravitaation ongelman ratkaisemisessa ja fyysikot voisivat löytää tavan navigoida ongelmissa ja tehdä tästä menetelmästä merkityksellistä universumille, jossa elämme, tämä ei tarkoita, että todella elämme hologrammissa.
On virhe ajatella, että AdS-CFT-malli on kätevä tapa ratkaista maailmankaikkeuden painovoimaongelmat painovoimalla kolmessa ulottuvuudessa.
Tämä kaikki on harhaa, ja elämme todella kaksiulotteisessa tilassa ilman painovoimaa. Yhtä kätevä matemaattinen laite ei muuta näkemyksiämme todellisuuden perustavasta luonteesta.
Jos holografiset periaatteet ovat hyödyllisiä ongelmien ratkaisemisessa, se ei tarkoita, että elämme hologrammissa. Ja vaikka eläisimmekin todella hologrammissa, emme voi silti kertoa eroa.
Maya Muzashvili