Голограммы, пожалуй, находятся в числе самых интересных «плоских» объектов, которые могут создать люди. Являясь полностью трехмерным набором информации, закодированным на двумерной поверхности, голограммы могут менять свой вид в зависимости от вашей точки зрения. И хотя ученые утверждают, что мы можем воспринимать лишь три пространственных измерения, их на самом деле может быть намного больше. Следовательно, появляется интригующая возможность того, что мы можем быть голографической проекцией многомерной Вселенной, в некотором смысле.
Голографическая Вселенная могла бы много объяснить. Таким образом, если допустить, что голографическая точка зрения верна, каким будет отношение между двумерной поверхностью и трехмерным проявлением? Насколько вообще полезна голограмма в понимании Вселенной?
Все мы видели голограммы, но большинство людей не знают, как они работают на самом деле. Их научная сторона весьма увлекательна. С фотографиями все просто: вы берете свет, испускаемый или отраженный от объекта, фокусируете его в линзе и записываете на плоскую поверхность. Так работает не только фотография: ваш глаз работает похоже. Линза вашего глазного яблока фокусирует свет, а палочки и колбочки в задней части глаза его записывают, посылая сигналы в мозг, который преобразует их в картинку.
Однако используя специальную эмульсию и когерентный (то есть лазерный) свет, вы можете создать карту всего светового поля объекта, то есть голограмму. Вариации плотности, текстур, прозрачности и прочего можно точно записать. Когда эта плоская двумерная карта должным образом освещается, она отображает полный набор трехмерной информации, которая меняется в зависимости от вашей перспективы и, что самое интересное, делает это для любой возможной перспективы, с которой вы можете на нее взглянуть. Напечатайте ее на металлической пленке — и вы получите обычную традиционную голограмму.
Наша Вселенная, как мы ее воспринимаем, имеет три пространственных измерения, доступные для нас. Но что, если их гораздо больше? Так же, как обычная голограмма представляет собой двумерную поверхность, которая кодирует полный набор информации о нашей трехмерной Вселенной, может ли наша трехмерная Вселенная кодировать информацию о принципиально четырех-или-более-мерной реальности, в которой мы заключены? В принципе, это возможно, и из этого следует ряд забавных возможностей. Правда, эти возможности тоже имеют свои ограничения, которые важно понять.
Идея того, что наша Вселенная может быть голограммой, вышла из концепции теории струн. Струнная теория вышла из предположения — струнной модели, — которое могло бы объяснить сильные взаимодействия, что протоны, нейтроны и другие барионы (и мезоны) обладают композитной структурой. Она сделала кучу бессмысленных предсказаний, которые не соответствовали экспериментам, включая существование частицы со спином 2. Но люди поняли, что если сдвинуть энергетическую шкалу вверх, в сторону планковской, струнная модель может объединить известные фундаментальные силы с гравитацией. Так родилась теория струн. Плюс или минус (смотря с какой стороны посмотреть) данной модели в том, что она требует большего числа измерений. Серьезным вопросом далее стало то, как можно извлечь нашу Вселенную с тремя пространственными измерениями из теории, в которой этих измерений много больше. И какая из теорий струн (а их великое множество) будет самой верной?
Возможно, множество различных моделей и сценариев теории струн являются лишь разными аспектами одной и той же фундаментальной теории, рассматриваемой с разных сторон. В математике две системы, которые эквивалентны друг другу, известны как «двойственные» (дуальные), и одно неожиданное открытие указало в сторону голограммы — в дуальной системе каждая сторона имеет разное число измерений. В 1997 году физик Хуан Малдасена предположил, что наша трехмерная Вселенная (плюс время) с ее теориями квантового поля, описывающими элементарные частицы и взаимодействия, двойственна более многомерному пространству-времени (анти-де-ситтеровскому пространству), что имеет значение для квантовых теорий гравитации.
Пока что единственные дуальности, которые мы обнаружили, связывают свойства многомерного пространства с его нижней одномерной границей: уменьшают измерения на один. Пока непонятно, сможем ли мы вывести из десятимерной теории струн трехмерную Вселенную вроде нашей так, чтобы они были дуальны. Двумерные голограммы мы можем создать, кодируя лишь трехмерную информацию; мы не можем закодировать четырехмерную информацию в трехмерной голограмме; мы не можем закодировать нашу трехмерную Вселенную в одномерной.
Другая интересная причина того, что два пространства с разными измерениями дуальны, заключается в следующем: на поверхности маломерной границы доступно меньше информации, чем внутри объема полного пространства, которое эта граница содержит. Так что если вы измеряете нечто происходящее на поверхности, вы можете выяснить кое-что о происходящем внутри объема. Происходящее в многомерном пространстве может быть связано с происходящим в других местах, а не происходит независимо. Это может звучать «нереально», но вспомните квантовую запутанность и как измерение свойства одного члена запутанной системы мгновенно сообщает вам информацию о другом. Возможно, голография связана с этой причудой природы.
Двойственность — это математический факт, и вместе с тем — любопытная физическая возможность. Приведет ли она нас к более глубокому пониманию нашей собственной Вселенной? Может быть. Но мы до сих пор не знаем толком, как ее использовать и сможет ли она помочь нам создать единую теорию всего.
