Физики разработали голографическую модель «пространства де Ситтера» — так называется Вселенная, подобная нашей, — которая может дать нам новые подсказки о происхождении пространства и времени. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Эскиз Си Дуна, иллюстрирующий процедуру резки, деформации и склеивания, которую он и его коллеги использовали для создания голограммы вселенной де Ситтера.
Введение
Физики широко считают, что ткань пространства и времени возникает сама собой, сплетаясь из квантовых нитей по неизвестному образцу. И вот уже 22 года у них есть упрощенная модель того, как может работать возникающее пространство-время: теоретическая «вселенная в бутылке», как описал ее первооткрыватель Хуан Мальдасена.
Пространство-время, заполняющее область внутри бутылки — континуум, который искривляется и колеблется, создавая силу, называемую гравитацией, — точно соответствует сети квантовых частиц, находящихся на жесткой, невесомой поверхности бутылки. Внутренняя «вселенная» проецируется из низкоразмерной граничной системы подобно голограмме. Открытие этой голограммы Мальдасеной дало физикам рабочий пример квантовой теории гравитации.
Но это не обязательно означает, что игрушечная вселенная демонстрирует, как пространство-время и гравитация возникают в нашей вселенной. Внутреннее пространство бутылки представляет собой динамичное, эшеровское пространство, называемое анти-де Ситтеровским (AdS) пространством, которое имеет отрицательную кривизну, подобную седлу. Различные направления на седле изгибаются в противоположных направлениях: одно направление изгибается вверх, а другое — вниз. По мере удаления от центра кривые стремятся к вертикали, в конечном итоге образуя внешнюю границу AdS-пространства — поверхность, где квантовые частицы могут взаимодействовать, создавая голографическую вселенную внутри. Однако в реальности мы обитаем в положительно искривленном «де Ситтеровском (dS) пространстве», которое напоминает поверхность сферы, расширяющейся без границ.
С 1997 года, когда Мальдасена открыл соответствие AdS/CFT — дуальность между пространством AdS и «конформной теорией поля», описывающей квантовые взаимодействия на границе этого пространства, — физики искали аналогичное описание областей пространства-времени, подобных нашей, которые не заключены в замкнутое пространство. Единственной «границей» нашей Вселенной является бесконечное будущее. Но концептуальная сложность проецирования голограммы из квантовых частиц, существующих в бесконечном будущем, долгое время препятствовала попыткам голографического описания реального пространства-времени.
Однако за последний год три физика добились прогресса в создании голограммы пространства де Ситтера. Как и соответствие AdS/CFT, их модель также является упрощенной, но некоторые принципы ее построения могут быть применены к более реалистичным голограммам пространства-времени. «Есть убедительные доказательства», — сказал Си Дун из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, возглавлявший исследование, — что новая модель является частью «единой структуры квантовой гравитации в пространстве де Ситтера».
Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.Видео : Как работает гравитация в квантовом режиме? Голографический дуализм из теории струн предлагает мощный инструмент для разгадки этой тайны.
Донг и его соавторы Ева Сильверстайн из Стэнфордского университета и Гонсало Торроба из Барилоческого атомного центра в Аргентине создали голограмму пространства dS, взяв две вселенные AdS, разрезав их, деформировав и склеив их границы.
Это разделение необходимо для решения проблемы бесконечности: того факта, что граница пространства AdS находится бесконечно далеко от его центра. (Представьте себе луч света, проходящий бесконечное расстояние вверх по кривой седловой точки, чтобы достичь края.) Донг и соавторы сделали пространство AdS конечным, отрезав область пространства-времени на большом радиусе. Это создало то, что известно как «горло Рэндалла-Сундрума», названное в честь физиков Лизы Рэндалл и Рамана Сундрума, которые придумали этот приём. Это пространство по-прежнему аппроксимируется КТП, существующей на его границе, но теперь граница находится на конечном расстоянии.
Далее Донг и его соавторы добавили элементы теории струн к двум из этих теоретических горловин Рэндалла-Сундрума, чтобы активизировать их и придать им положительную кривизну. Эта процедура, названная «возвышением», превратила два седловидных пространства AdS в чашеобразные пространства dS. Затем физики смогли сделать очевидное: «склеить» две чаши вместе по краям. Конформные теории поля, описывающие оба полушария, связываются друг с другом, образуя единую квантовую систему, которая голографически дуальна всему сферическому пространству де Ситтера.
«Полученное пространство-время не имеет границ, но по построению оно двойственно двум конформным теориям поля», — сказал Донг. Поскольку экватор пространства де Ситтера, где находятся две конформные теории поля, сам является пространством де Ситтера, это построение называется «соответствием dS/dS».
Сильверстайн предложила эту основную идею вместе с тремя соавторами еще в 2004 году, но новые теоретические инструменты позволили ей, Донгу и Торробе более подробно изучить голограмму dS/dS и показать, что она проходит важные проверки на согласованность. В статье, опубликованной прошлым летом, они рассчитали, что энтропия запутанности — мера того, сколько информации хранится в связанных КТП, расположенных на экваторе, — соответствует известной формуле энтропии для соответствующей сферической области пространства де Ситтера.
Они и другие исследователи продолжают изучать голограмму де Ситтера, используя инструменты компьютерных наук. Как я описывал в недавней статье в журнале Quanta, физики за последние несколько лет обнаружили, что соответствие AdS/CFT работает точно так же, как «квантовый код коррекции ошибок» — схема для надежного кодирования информации в нестабильной квантовой системе, будь то квантовый компьютер или CFT. Квантовая коррекция ошибок может быть тем, как возникающая ткань пространства-времени достигает своей устойчивости, несмотря на то, что она соткана из хрупких квантовых частиц.
Дун, который входил в команду, обнаружившую связь между AdS/CFT и квантовой коррекцией ошибок, сказал: «Я считаю, что голография де Ситтера также работает как квантовый код коррекции ошибок, и мне очень хотелось бы понять, как именно». Мало надежды на экспериментальное подтверждение правильности этой новой точки зрения на пространство-время де Ситтера, но, по словам Дуна, «вы инстинктивно понимаете, что на правильном пути, если все части головоломки начинают складываться воедино».
Патрик Хейден, физик-теоретик и специалист по информатике из Стэнфорда, изучающий соответствие AdS/CFT и его связь с квантовой коррекцией ошибок, сказал, что он и другие эксперты обдумывают модель dS/dS Донга, Сильверштейна и Торробы. Он отметил, что пока рано говорить о том, приживутся ли идеи о том, как устроено пространство-время и как работает квантовая гравитация в пространстве AdS, в модели де Ситтера. «Но путь есть — нужно что-то сделать», — сказал Хейден. «Можно сформулировать конкретные математические вопросы. Думаю, в ближайшие несколько лет многое изменится».
Данная статья была перепечатана на сайте Wired.com .
Источник: www.quantamagazine.org
