Воодушевлённые успехами в понимании чёрных дыр, физики-теоретики применяют свои знания к целым вселенным. Полученные ими результаты заставляют их пересмотреть фундаментальные представления о том, как должна функционировать физика. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Введение
Исследуя за своими столами математику квантового пространства и времени, физики столкнулись с загадочной загадкой. Загадочные правила квантовой теории и гравитации позволяют им представить множество различных вселенных в мельчайших деталях, что позволяет проводить мощные мысленные эксперименты, которые в последние годы помогли разрешить давние тайны, связанные с чёрными дырами.
Но когда в 2019 году группа исследователей исследовала Вселенную, поразительно похожую на нашу, они обнаружили парадокс: теоретическая Вселенная, казалось, допускала лишь одно возможное состояние. Она казалась настолько простой, что её содержимое можно было описать, не передавая ни единого бита данных, даже не предлагая выбора между нулем и единицей. Этот результат противоречил тому факту, что такая Вселенная должна быть способна вмещать чёрные дыры, звёзды, планеты — и людей. Однако все эти богатые детали нигде не были видны.
«Мы смотрим вокруг, и, конечно же, мир кажется гораздо сложнее», — говорит Роб Майерс, физик-теоретик из Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо, Канада, который не принимал непосредственного участия в этом исследовании.
У физиков есть все основания доверять этим расчётам, основанным на фундаментальных физических идеях. Математика предполагает существование Вселенной с единственным состоянием; наша Вселенная явно не такая. Теперь группа теоретиков предложила возможный ответ. Парадоксальный результат получился, когда физики пытались объективно описать состояние всей Вселенной. Но такое описание может быть невозможным даже в принципе. Оно неявно предполагает существование Вселенной без наблюдателя. И, возможно, без наблюдателей сложность Вселенной теряет свой смысл.
Шокирующий аргумент
Для физиков, увлеченных как квантовой механикой, так и гравитацией, эти две теории оказались невероятно сложно объединить. Теория струн – предполагаемое решение этой проблемы, заменяющее частицы крошечными колеблющимися струнами, чтобы сгладить недостатки, обрекающие другие теории-кандидаты. Однако математические выкладки этой теории сложны, и её следствия трудно вывести.
Но почти 30 лет назад в эпохальной статье Хуана Малдасены, физика из Института перспективных исследований, было показано, что сложные вычисления теории струн иногда можно обойти и выполнить, используя знакомые концепции из физики элементарных частиц. Загвоздка в том, что этот подход работает только в том случае, если Вселенная имеет необычную «анти-де-ситтеровскую» геометрию. Анти-де-ситтеровская вселенная имеет границу, часто изображаемую в виде консервной банки. Примечательно, что всё, что происходит внутри банки, от сталкивающихся частиц до вращающихся чёрных дыр, отображается тенями на внешней границе банки. Это как если бы трёхмерная Вселенная внутри была эквивалентна изображению на плоском экране, — концепция, которую физики называют голографией.
Хуан Малдасена, физик-теоретик из Института перспективных исследований, обнаружил важную взаимосвязь между физическим пространством и его границей.
Голография принесла крупные прорывы. В 2019 году Малдасена и трое его коллег из IAS — Ахмед Альмхейри, Рагху Махаджан и Ин Чжао — использовали голографическое мышление, чтобы лучше понять, что происходит внутри черной дыры. Опираясь на более ранние работы, они предложили «формулу острова», которая отслеживает границы различных областей внутри черной дыры. Вскоре это помогло им и другим ученым раскрыть потенциальное объяснение давней загадки: как черные дыры могут раскрывать информацию о том, что в них упало — что, согласно квантовой теории, должно произойти — если это, казалось бы, бросает вызов абсолютной природе гравитации черной дыры? Их успех вселил в физиков уверенность в том, что формула острова является надежным способом понимания квантовой гравитации, и последующие результаты показали, что она может сохраняться вне своего первоначального антидеситтеровского контекста.
Но это была всего лишь разминка.
«Чёрные дыры — действительно хороший полигон для испытаний идей, но не там, где можно заработать», — сказал Генри Максфилд, физик из Стэнфордского университета. «Важнейший вопрос квантовой гравитации — это квантовая космология» — толчок к пониманию ранней Вселенной.
Проблема в том, что мы живём не в антидеситтеровском космосе, похожем на жестяную банку. Природа расширения Вселенной подразумевает, что у неё нет границ. Как бы далеко вы ни путешествовали, вы никогда не достигнете её края.
Один из способов, при котором Вселенная не имеет края, — это её «замкнутая» геометрия. В этом случае путешественник, движущийся по прямой, может в конечном итоге вернуться туда, откуда начал, подобно тому, как если бы вы сели в самолёт и полетели на восток.
Поскольку наша Вселенная могла быть замкнутой, Малдасена вскоре применил формулу острова к замкнутой Вселенной. Он обнаружил то, что его коллегам было трудно принять: замкнутая область казалась почти совершенно пустой.
«Я был весьма шокирован этим аргументом», — сказал Чжао. «Я пытался с ним спорить». Потребовалось несколько лет, но Чжао в конце концов нашёл дыру в пустой вселенной Малдасены.
Чистый лист
Замкнутые вселенные, исследованные Малдасеной, не были лишены массы или энергии. В них не было чего-то ещё более важного: информации.
При изучении квантовых теорий физикам необходимо отслеживать каждое возможное состояние физической системы. Для этого они используют абстрактное пространство, называемое гильбертовым. Гильбертовы пространства, названные в честь математика начала XX века Дэвида Гильберта, описывают различные квантовые состояния путём добавления новых математических измерений. Чем больше измерений, тем больше информации могут содержать эти гильбертовы пространства.
На гравюре Фламмариона, впервые опубликованной в 1888 году, изображён наблюдатель, прорывающийся сквозь горизонт, «где соприкасаются небо и Земля», согласно оригинальной подписи. Здесь обнажается механизм вселенной.
Простая система, например компьютерный бит, который может быть равен либо нулю, либо единице, может иметь два измерения.
Большинство квантовых систем гораздо сложнее. Возьмём один атом водорода. Его электрон может занимать всё более высокие орбиты по мере увеличения энергии. В этом случае число возможных состояний неограниченно, поэтому его гильбертово пространство бесконечномерно. Большинство реальных квантовых систем обладают этим свойством.
Поэтому физики ожидают, что вся Вселенная также будет иметь бесконечное число состояний. Но когда Малдасена применил формулу острова к замкнутой Вселенной, он обнаружил, что вместо этого она представляет собой гильбертово пространство с всего одним измерением. Никакой информации обнаружить не удалось. Вся Вселенная и всё, что в ней находится, может находиться только в одном квантовом состоянии. Ей не хватает даже сложности одного бита.
Этот вывод показался физикам парадоксальным, учитывая, что мы тоже могли бы существовать в замкнутой Вселенной. И мы ясно видим вокруг себя гораздо больше, чем одно состояние.
«На моем столе находится бесконечное количество состояний», — сказал Эдгар Шагулян, физик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.
Но по мере того, как физики продолжали изучать различные типы замкнутых вселенных, они продолжали наблюдать одну и ту же закономерность. Пока группа IAS рассматривала чёрные дыры, Максфилд и его коллега Дональд Маролф изучали гипотетические квантовые пузыри пространства-времени, называемые дочерними вселенными. Они обнаружили ту же абсолютную простоту. Всё больше становилось очевидным, что бесплодность замкнутых вселенных — универсальная тенденция.
«В конце концов мы в это поверили», — сказал Чжао.
Сложность возвращается
Ситуация парадоксальна: расчёты неизменно подразумевают, что любая замкнутая вселенная имеет только одно возможное состояние. Но наша Вселенная, которая вполне может быть замкнутой, кажется бесконечно более сложной. Так что же происходит?
В эссе 2023 года Шагулян отметил, что физики уже наблюдали подобное странное поведение в теориях, называемых топологическими теориями поля. Математики используют эти теории для описания формы, или топологии, геометрических пространств. Топологические теории поля также могут иметь одномерные гильбертовы пространства. Но если разбить геометрическое пространство на несколько зон, можно описать его множеством различных способов. Чтобы отслеживать все новые возможности, необходимо гильбертово пространство большего размера.
«Правила игры меняются», — сказал Шагулян.
Шагулян предположил, что может существовать аналогичный способ разделить замкнутую вселенную: ввести наблюдателя.
Ин Чжао, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, был частью команды, которая разработала решение проблемы односоставной Вселенной.
Квантовая механика требует проведения различия между наблюдателем — например, учёным, проводящим эксперимент, — и наблюдаемой им системой. Система, как правило, представляет собой нечто малое и квантовое, например, атом. Наблюдатель велик и далек, поэтому хорошо описывается классической физикой. Шагулян заметил, что это разделение аналогично расширению гильбертовых пространств топологических теорий поля. Возможно, наблюдатель мог бы сделать то же самое с этими замкнутыми, кажущимися невероятно простыми вселенными?
В 2024 году Чжао перешла в Массачусетский технологический институт, где начала работать над проблемой помещения наблюдателя в замкнутую вселенную. Вместе с двумя коллегами — Дэниелом Харлоу и Михаилом Усатюком — она считала, что наблюдатель вводит новый тип границы: не край Вселенной, а границу самого наблюдателя. Чжао и её коллеги показали, что когда мы рассматриваем классического наблюдателя внутри замкнутой вселенной, вся сложность мира возвращается.
Статья группы MIT вышла в начале 2025 года, примерно в то же время, когда другая группа выдвинула похожую идею. Другие учёные присоединились к обсуждению, указав на связь с более ранними работами.
На этом этапе все участники подчёркивают, что не знают полного решения. Сам парадокс может быть просто недоразумением, которое развеется с появлением нового аргумента. Но пока что добавление наблюдателя в замкнутую вселенную и попытка объяснить его присутствие, возможно, является самым безопасным путём.
«Могу ли я действительно с уверенностью сказать, что это правильно, что это решение проблемы? Не могу этого сказать. Мы стараемся изо всех сил», — сказал Чжао.
Если эта идея верна, то использование субъективной природы наблюдателя для объяснения сложности Вселенной означало бы смену парадигмы в физике. Физики обычно стремятся к взгляду из ниоткуда, к автономному описанию природы. Они хотят понять, как устроен мир и как наблюдатели, подобные нам, становятся его частями. Но по мере того, как физики начинают понимать замкнутые вселенные с точки зрения частных границ вокруг частных наблюдателей, такой взгляд из ниоткуда кажется всё менее жизнеспособным. Возможно, взгляды откуда-то — это всё, что у нас когда-либо останется.
Источник: www.quantamagazine.org
