Dok kopamo dublje u misterije teorijske fizike i temeljne prirode stvarnosti, ostajemo zagonetni nad zastrašujućim pitanjima koja se pojavljuju.
Na primjer, neki fizičari sugeriraju da bi naš svemir mogao biti samo iluzija, vrsta holograma proizašla iz kvantnih procesa koji se događaju u nižedimenzionalnom prostoru.
Ali pružaju li nam ova suvremena teorijska otkrića doista otkrića o pravoj prirodi stvarnosti ili su to samo matematički alati koje smo izumili za rješavanje složenih znanstvenih problema? Kada je riječ o najnovijim teorijama u fizici koje pomiču granice, kako možemo razlikovati ono što je rođeno iz naše mašte i ono što je doista proizvod samog svemira?
Crne rupe se mogu dokazati
Intriga stvarno počinje kada počnemo govoriti o tim jezivim sablastima kozmosa, crnim rupama. Na prvi pogled (a kasnije ćete cijeniti igru riječi), crne rupe izgledaju jednostavno. Materijal upada i više se ne vraća. Svi podaci o tom materijalu bivaju sigurno zaključani iza horizonta događaja, učinkovito nestajući. Međutim, 1970-ih, poznati astrofizičar Stephen Hawking nam je bacio krivu loptu. Ispostavilo se da crne rupe nisu potpuno crne. One su mrvicu sive, čak i malo cure, ispuštaju malu količinu radijacije koja navodi crne rupe da polako, ali sigurno, ispare u ništavilo.
Ali postoji caka. Ovo zračenje ne nosi nikakvu informaciju. Zamijetite paradoks: informacije ulaze, ne izlaze i crna rupa na kraju nestaje. Goruće pitanje je, što se zaboga događa sa svim tim informacijama?
Dakle, kada govorimo o informacijama, u osnovi mislimo na sve detalje o svim karakteristikama čestica koje su uronile u crnu rupu. Drugim riječima, to je sve što vam je potrebno da ponovno stvorite izvorne entitete koji su se srušili. Ali ono što izlazi iz crne rupe, zahvaljujući Hawkingovom zračenju, jednostavno je nasumično raspršivanje čestica. Ne možete zaključiti što je palo na temelju zračenja koje izlazi.
Kritični dio slagalice pojavio se u godinama nakon Hawkingovog monumentalnog otkrića. Jedna od metoda mjerenja količine informacija je entropija, pojam u termodinamici slabo povezan sa stupnjem nereda unutar sustava. Evo gdje nam crne rupe bacaju još jednu krivulju: njihova entropija je vezana uz njihovu površinu, a ne njihov volumen. To znači da su informacije unutar crne rupe povezane s njezinom dvodimenzionalnom površinom, a ne s njezinim trodimenzionalnim volumenom. Prava glava, zar ne?
Pojam entropije: Entropija, ukratko, objašnjava sklonost sustava da prijeđe iz stanja reda u stanje nereda. Obrazloženje je da postoji mnogo više mogućnosti da sustav bude u stanju nereda u usporedbi s stanjem reda. Razmislite o pospremanju svoje sobe – postoji samo jedan način da se soba smatra besprijekornom. Međutim, postoji gotovo beskonačan broj načina da soba postane neuredna ili da utone u kaos, poput jedne mrlje prljavštine ili usamljene čarape gurnute u kut. Dakle, s vremenom će se entropija povećati. Ovo se pravilo ne odnosi samo na vašu sobu nego na bilo koji sustav u svemiru.
Ovo je prilično neusporedivo u svemiru i pobudilo je zanimanje mnogih fizičara. Odjednom su bili privučeni crnim rupama, s velikim fizičarima poput Leonarda Susskinda koji su predvodili istraživanje ovog novog koncepta poznatog kao holografski princip. Naziv je posuđen iz samog koncepta holografije. Jeste li ikada svjedočili hologramu u stvarnom životu i osjećali kao da slika iskače pred vama? To je zato što hologram pakira sve trodimenzionalne informacije na dvodimenzionalnu površinu.
Dakle, čini se da postoji nešto intrigantno u crnim rupama, s njihovim informacijama koje su naizgled utisnute na njihove dvodimenzionalne površine. Možda ista logika vrijedi za cijeli svemir.
Dvodimenzionalni svemir?
Ovaj koncept možda i nije tako čudan kao što u početku zvuči, pogotovo jer možda već imamo funkcionalni primjer holografskog principa na djelu. Ovo je poznato kao AdS/CFT korespondencija, ideja koju je iznio fizičar Juan Maldacena 1997. godine.
Pokušajmo to razumjeti konstruiranjem jedinstvene vrste svemira s nekoliko osebujnih karakteristika. Prvo, ovaj svemir ima pet prostornih dimenzija, a ne samo tri. Drugo, potpuno je lišen materije i zračenja. I treće, sadrži stalnu kozmološku silu koja ga savija prema unutra. Ova vrsta prostor-vremena naziva se (petodimenzionalni) anti-de Sitterov prostor.
Pretpostavimo da pokušavate riješiti vrlo složen problem unutar ovog svemira, poput funkcioniranja kvantna gravitacija. Unatoč pokušaju rješavanja kvantne gravitacije već gotovo stoljeće, još nemamo definitivne odgovore. Ali imamo kolekciju alata, poznatu kao teorija struna, za koje se nadamo da će nas na kraju dovesti do rješenja.
Objasnimo kompliciranije ideje
Kvantna gravitacija: Kvantna gravitacija odnosi se na razumijevanje utjecaja gravitacije na najsitnije entitete u svemiru, kao što su subatomske čestice. Prilično smo dobri u objašnjavanju ponašanja tih čestica pomoću kvantne mehanike, ali ovdje je kvaka – kada gravitacija postane stvarno jaka, recimo, unutar crnih rupa, naše teorije se raspadaju. Kvantna gravitacija je naš hrabri pokušaj da pokrpamo te teorije i damo smisao svemu tome.
Kvantna polja su stvari koje se mogu pronaći svugdje u svijetu. Kada neki dijelovi polja dobiju energiju, stvaraju se čestice ili se trguje silama.
Konformna teorija polja: Kvantna teorija polja je poput ovog posebnog matematičkog alata koji je super zgodan u određenim eksperimentima fizike visokih energija, ali nije baš svačiji za korištenje u drugim situacijama.
Ovdje je Maldacena napravio zadivljujući napredak. Pronašao je način da pretvori ovaj problem – zagonetku kako razriješiti kvantnu gravitaciju u ovom osebujnom svemiru – u potpuno drugu zagonetku koja se nalazi na njegovoj četverodimenzionalnoj granici. Jednom kada izvršite ovu promjenu, sva gravitacija ispari, stvarajući mjesta za posebnu vrstu kvantne teorije poznate kao konformna teorija polja (‘CFT’ u korespondenciji). S vremenom smo postali jako dobri u rješavanju problema kvantne teorije polja, naoružani robusnim arsenalom provjerenih matematičkih alata.
Ono što je Maldacena učinio bila je čista magija u području teorijske fizike: uzeo je problem koji nas je zbunio (kvantna gravitacija u kombinaciji s teorijom struna) i pretvorio ga u onaj s kojim se možemo uhvatiti u koštac (konformna teorija polja koja koristi kvantna polja).
Je li ovo podrijetlo prostorvremena?
Ovo je mjesto gdje stvari postaju doista zapanjujuće. Neki su fizičari uzeli ovaj koncept više od pukog alata za rješavanje problema za teška pitanja gravitacije i koriste ga za objašnjenje same gravitacije. Oni tvrde da su pronašli korelacije gdje kvantno ponašanje svih polja na granici ovog prostor-vremena pokreće opću relativnost unutar njega. Opća relativnost je način na koji razumijemo gravitaciju – vidimo je kao savijanje i zakrivljenje prostora i vremena. Dakle, ukratko, holografski princip možda sugerira da kvantne interakcije na rubovima našeg svemira doslovno stvaraju prostor-vrijeme unutar njega.
Ako su na nečemu, ono što vidimo kao trodimenzionalni svemir, prepun raznih fascinantnih objekata na koje utječe gravitacija, zapravo je samo dvodimenzionalna površina koja bruji bizarnim kvantnim ludorijama iz kojih izvire sve ostalo.
Ali, to je jako ‘ako’.
Unatoč godinama intenzivnog istraživanja u ovom smjeru, holografski princip nije bez nedostataka. Za početak, njegov poster dijete, AdS/CFT korespondencija, trenutno je samo nagađanje o tome što bi moglo biti istina, na temelju određenih promatranih matematičkih veza. Nitko zapravo nije dokazao da je ovo dopisivanje činjenica. A čak i ako se dokaže, svemir opisan ovim dopisivanjem nije nimalo sličan našem. Naš svemir ima tri prostorne dimenzije, a ne pet, a uključuje i dimenziju vremena. Nije prazan i samostalan, već je umjesto toga ispunjen materijom i zračenjem, i trenutno se širi ubrzanom brzinom. Ono što je najvažnije, naš svemir nema jasnu granicu, što dovodi u pitanje cijeli temelj holografskog principa.
Zatim, velika većina fizikalnih teorija koje objašnjavaju probleme stvarnog svijeta u svemiru definitivno nisu konformne teorije polja. Dakle, praktičnost AdS/CFT korespondencije nije sigurna stvar (iako je pronašla neke zanimljive primjene).
I iako je priroda informacija o crnim rupama zadivljujuća, nitko nije uspio upotrijebiti holografski princip da točno opiše što se događa sa stvarnim crnim rupama u našem stvarnom svemiru. Da ne spominjemo, čudan entropijski posao s crnim rupama ne odnosi se na druge objekte. Na primjer, ako u vas natrpam informacije, vaša entropija raste proporcionalno vašem volumenu.
Ipak, nemojmo zaboraviti da je ovo mlad smjer studija. Fizičarima i kemičarima trebalo je više od stotinu godina da se slože da atomi doista postoje, pa se čini pomalo grubo brzopleto prosuđivati ove svježe uvide u stvarnost. Ali što ako najluđi snovi ovih fizičara postanu stvarnost? Što ako pronađemo duboku vezu između fizike našeg trodimenzionalnog svemira i fizike koja se događa na granici?
Je li naš svemir hologram? Matematička iluzija?
Moguće implikacije holografske teorije su, u najmanju ruku, nejasne. Neki su fizičari ušli u sve, tvrdeći da je naša stvarnost fatamorgana, da su naša percepcija prostora, vremena i gravitacije samo površinski dojmovi dublje stvarnosti koja postoji u manje dimenzija. Ukratko, oni kažu da je naš svemir doslovno hologram.
Ali samo zato što je matematičko rješenje usklađeno s fizikalnom teorijom ne znači da ono odražava stvarnost. Netko bi mogao tvrditi, ako se holografski princip pokaže vrijednim, onda smo upravo naletjeli na moćan – možda čak i presudan – matematički alat za razumijevanje našeg svemira. Ali to ne znači da je stvarnost prikazana matematikom istinita.
Na primjer, fizičari se redovito igraju s mnoštvom matematičkih manevara kako bi riješili probleme. Ponekad su problemi bačeni u više ili niže dimenzije, ponekad se pretvaraju u carstvo imaginarnih brojeva, a ponekad manipuliramo procesima naprijed-nazad u vremenu. Razumijemo ove metode kao ono što one jesu: strategije za rješavanje složenih problema, a ne svježe artikulacije osnovnih elemenata stvarnosti.
S druge strane, povremeno se ti matematički trikovi integriraju u naše razumijevanje fizičkog svemira. Uzmimo, na primjer, opću teoriju relativnosti. Prije Einsteinovih doprinosa gravitaciju smo zamišljali kao tipičnu silu — mrežu nevidljivih struna koje povezuju sve objekte s masom. Sada vidimo gravitaciju kao promjene u tkivu prostorvremena. Smatramo da je perspektiva koju pruža opća relativnost “stvarnija” od tumačenja prije Einsteina, jer nam daje točnije razumijevanje i uvid u gravitaciju. Ali možete također tvrditi da je sve to matematička pogodnost, mentalna konstrukcija koju su stvorili naši ograničeni ljudski mozgovi kako bi nam pomogli da shvatimo svijet, što je u konačnici zabluda. U velikoj shemi stvari, svemir jednostavno radi ono što radi.
Ako nas holografski princip doista vodi do revolucionarnog razumijevanja našeg svemira, na kraju ćemo odlučiti je li naše trenutno shvaćanje stvarnosti iluzija ili su fizičari ti koji trebaju zasukati rukave i vratiti se na posao .
