Голографический принцип

Физический мэйнстрим, по сути дела, проигнорировал голографическую модель вселенной Дэвида Бома. Начиная примерно с 1984 года основные надежды науки на финальную теорию великого объединения все больше связываются с теорией струн. По степени абстрактности она чрезвычайно далека от повседневной жизни, однако способна предложить весьма элегантные математические соотношения, формально снимающие многие из противоречий и сулящие в конечном счете объединить квантовую теорию с гравитацией.

Впрочем, многие ученые считают, что теория суперструн порождает столько же новых проблем, сколько решает старых. Если отодвинуть математический формализм, то фундаментальная логическая согласованность новых идей представляется весьма смутной. Природа сверхмалых структур микромира осталась ничуть не менее загадочной, чем прежде. Способность же новой теории к плодотворным предсказаниям за прошедшие годы проявилась, мягко говоря, более чем скромно… Такого рода аргументы при выборе нового поля исследований руководили, к примеру, известным голландским ученым‑ теоретиком Герардом 'т Хоофтом, знаменитым не только своей прикольной фамилией (читается «ut Hooft»), но и Нобелевской премией по физике за 1999 год.

По упомянутым выше причинам 'т Хоофт решил избрать иное направление исследований. Благодаря работе Стивена Хокинга в свое время стало известно, что вследствие эффектов квантового поля «черным дырам» (как и частицам) свойственно не только поглощение, но и излучение энергии (в российской науке эффект испарения «черных дыр» обсуждался задолго до публикации Хокинга, однако факт этот остался известен лишь соратникам Грибова и Зельдовича, поскольку за яростными спорами‑ семинарами до написания статьи дело так и не дошло). Это открытие породило интереснейшие вопросы. Являются ли «черные дыры» элементарными частицами? Являются ли элементарные частицы «черными дырами»?

Известные свойства «черных дыр» заставляют отнести их к объектам, фундаментально отличающимся от обычных форм материи, а нынешние теоретические концепции пока не способны сказать что‑ либо определенное о физических законах для этих объектов. Хотя бы по той причине, что современные теории в этом месте серьезно противоречат друг другу. Здесь отчетливо проглядывается парадокс, весьма похожий на тот, что столетие назад привел Макса Планка к пересмотру закона излучения абсолютно черного тела, а в конечном счете породил квантовую механику. Интуиция ученого подсказала 'т Хоофту, что изучение парадокса «черных дыр» может привести к чему‑ то столь же великому.

Особое внимание привлекал один из самых красивых результатов исследования термодинамики «черных дыр», полученный в 1970‑ е годы Якобом Бекенштайном, ныне профессором Иерусалимского университета. Бекенштайн показал, что энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта. А в 1980‑ е годы, исследуя энтропию не только как меру потерянной энергии или хаотичности термодинамической системы, но и как меру информационной емкости, Бекенштайн пришел к выводу, что информация, необходимая для описания любого объекта, ограничена его внешней поверхностью.

В 1993‑ 94 гг. Герард 'т Хоофт обратился к изучению физики черных дыр, сформулировал понятие гравитационных степеней свободы, а в процессе обсуждений новой концепции с коллегой из Стэнфорда Леонардом Зюсскиндом у ученого родилось и подобающее ей название – «топографический принцип». Фундаментом для топографического принципа стали результаты Бекенштайна: вся информация, содержащаяся в некоторой области пространства, может быть представлена как некая «голограмма» – то есть теория, помещающаяся на границе этой области. Грубо говоря, абсолютно все, что содержится, скажем, в комнате, можно описать на стенах, полу и потолке этой комнаты. Второе же базовое утверждение топографического принципа гласит, что теория на границе исследуемой области пространства должна содержать не более одной степени свободы на каждую зону Планка. Зоны Планка считаются элементарными «зернами» пространства нашей Вселенной, длина каждой стороны такой зоны (так называемая длина Планка) равна примерно 1033 сантиметра. Таким образом, согласно топографической теории, количество степеней свободы для некоторой ограниченной области пространства растет пропорционально площади поверхности, а не объему…

Если же перевести данную концепцию на обычный человеческий язык, окажется, что весь наш мир и мы сами – суть голограммы, «тень», проекция чего‑ то гораздо более грандиозного. И при этом имеем достаточно информации, чтобы получить об этом целом представление.

Поначалу идеи 'т Хоофта разделялись лишь небольшой группой единомышленников, «экстравагантными» методами изучавших квантовые черные дыры. Но затем, по мере развития теории струн и с появлением понятия мембран различной размерности, предоставивших инструментарий для изучения черных дыр, оказалось, что концепции топографического принципа чрезвычайно удобны и применимы к пространству‑ времени любой размерности. Никто не может объяснить, почему этот принцип работает, но идея «голограммы» постепенно становится одним из главных инструментов в поисках способа объединения гравитации и квантовой механики.