Всесвіт — це голограма: чому теорія Стівена Гокінга може виявитися правильною

Центральною ідеєю теорії чорних дір Стівена Гокінга є твердження, що чорні діри можуть тільки зростати. Завдяки спостереженням, проведеним за допомогою гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO, ця теорія була підтверджена. Можливо, майбутні спостереження можуть навіть показати, що Всесвіт — це голограма, пише Фокус.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Голографічний Всесвіт

З кінця XX століття існує теорія, яка припускає, що в основі звичної реальності простору і часу може ховатися голограма. Фізики досі не дійшли єдиної думки щодо того, якої форми може набути ця голограма, але сама ідея голограми змінили теоретичну фізику до невпізнання.

Протягом десятиліть фізики намагалися об'єднати загальну теорію відносності Ейнштейна і квантову теорію, а голографічна якраз може це зробити. Ця теорія показує, що гравітація і квантова теорія не обов'язково повинні існувати окремо, а можуть бути різними, але взаємодоповнювальними описами однієї і тієї ж фізичної реальності. Фізичні системи можуть бути одночасно гравітаційними і квантовими, стверджує теорія голографії, хоча і в різних вимірах.

Можливо, весь наш Всесвіт, що розширюється, може бути голограмою, як вважав фізик Стівен Гокінг. У голограмах, з якими ми знайомі, третій вимір простору виникає зі світла, що проектується на поверхню. Але в ідеї космосу як голограми голографічне кодування може відбуватися у вимірі часу. Тобто еволюція Всесвіту може бути голографічною проекцією.

Гокінг припускав, що час може виникати з голографічної проекції, яка складається з незліченних заплутаних квантових бітів або кубітів. Начебто над заплутаними кубітами працює код, який породжує Всесвіт, і цей процес ми сприймаємо як плин часу. Якщо це правда, то до Великого вибуху нічого не існувало.

Якщо ця теорія Гокінга правильна, то вона може призвести до переосмислення народження Всесвіту, а також до вирішення того, як виник сам час. Ідея космосу як голограми припускає, що Великий вибух знаменує не тільки початок часу, а й появу знайомих законів фізики.

Чорні діри — це голограми?

Стівен Гокінг виявив, що чорні діри — це не порожні бездонні ями, як передбачає загальна теорія відносності Ейнштейна. Вони зберігають величезну кількість інформації про свою історію і всі об'єкти, які в них потрапили. Гокінг припустив, що чорні діри насправді є найефективнішими жорсткими дисками у Всесвіті.

Фізик навіть вивів точну математичну формулу для кількості інформації, або ентропії, що міститься в чорних дірах.

Вона передбачає, що ентропія чорних дір зростає як площа поверхні їхнього горизонту подій, а не як їхній внутрішній об'єм. Це дивно. Обсяг пам'яті, який можна отримати в будь-якій відомій системі, наприклад, у бібліотеках, залежить від внутрішнього об'єму, а не від площі обмежувальної поверхні. Наприклад, щоб оцінити обсяг інформації в бібліотеці, потрібно порахувати кількість книжок на всіх полицях, а не тільки на тих, що стоять уздовж стін.

Однак, з чорними дірами справи йдуть інакше. Для обчислення квантового інформаційного змісту чорної діри Гокінг запропонував розглянути площу поверхні горизонту подій і покрити її сіткою з крихітних осередків, кожна з яких має довжину в один квант, всього 10-³³ см. При цьому кожен квант на горизонті подій несе один біт інформації. Сукупність усіх цих бітів міститиме все, що потрібно знати про чорну діру.

Це була перша ідея теорії голографії в сучасній фізиці: ємність чорних дір визначається не їхнім внутрішнім об'ємом, а площею поверхні їхнього горизонту подій. Начебто з квантової точки зору у чорних дір немає внутрішнього простору, а вони є голограмами.

Ентропія також є мірою ступеня безладу у фізичній системі. Висока ентропія означає, що система перебуває у сильно невпорядкованому стані, а низька ентропія — у сильно впорядкованому.

Коли відбувається зіткнення двох чорних дір, їхні маси об'єднуються, збільшуючи площу поверхні їхнього горизонту подій. Але вони також втрачають енергію у вигляді викиду гравітаційних хвиль.

Нові спостереження за космосом

Теорія Гокінга стверджує, що за будь-яких обставин загальна площа поверхні горизонту подій чорних дір, що беруть участь у злитті, має бути меншою за площу більшої чорної діри, на яку вони перетворилися.

Минулого року вчені за допомогою обсерваторії LIGO виявили надзвичайно потужну гравітаційну хвилю, що виникла внаслідок злиття двох чорних дір, що дало змогу дозволило підтвердити теорію Гокінга.

Як з'ясували вчені, злиття відбулося на відстані приблизно в 1,3 мільярда світлових років від Землі, і в ньому брали участь чорні діри, маса яких у 30-40 разів перевищує масу Сонця. Вони зіткнулися і об'єдналися в ще більшу чорну діру.

Астрофізики визначили, що площа поверхні горизонту подій нової чорної діри справді більша, ніж сума горизонтів подій двох вихідних чорних дір.

І все ж навіть найсильніші гравітаційні хвилі абсолютно нічого не говорять нам про таємничу мікроструктуру, в якій чорні діри імовірно зберігають гігабайти інформації. Що являють собою кубіти чорної діри? Чи справді вони обмежені поверхнею горизонту подій, як припускає формула Гокінга, голографічно проєктуючи все, що знаходиться всередині? Поки що на ці запитання відповідей немає. Але можливо, припущення про те, що Всесвіт є голограмою буде отримано під час майбутніх спостережень за чорними дірами.

Як уже писав Фокус, фізики створили нову форму матерії, якої не повинно існувати.

Під час написання цього матеріалу використано джерела: Science Focus.