что такое голографический принцип
Голографический Принцип, новый шестистепенной гироскоп, информация без предела скорости света, телепортация объектов
Начнём с предупреждения.
Во-первых, все описанные в данной статье объекты и теории на данный момент имеют статус гипотетических. То есть, голографическая гипотеза и многочинные струнные теории сегодня многократно не подтверждены экспериментально.
Во-вторых, для экспериментальной проверки (базы) гипотез предлагается принципиально новый тип механического гироскопа с шестью степенями свободы. Из известных науке двух и трёх степенных механических гироскопов это последний из возможных типов с максимальным числом стерпеней свободы: GYRO 6DoF.
Целью данной статьи является поиск желающих участвовать в информационной поддержке и практической реализации GYRO 6DoF вместе с автором. Ставки высоки, и в этом можно убедиться, если дочитать статью до конца.
Обычно, когда утверждают то, что невозможна передача информации выше скорости света, делается неявное предположение, что иного способа, кроме как «привязать информацию» к фотону и передавать её, больше не существует. Однако, находится и другой способ. Хорошо известная физическая гипотеза — голографический принцип (современный и широко используемый сегодня инструмент теоретической физики) указывает на интересный феномен: «Явления, происходящие в трехмерном пространстве, могут быть спроецированы на удаленный «экран» без потери информации» — Леонард Сасскинд «The World as a Hologram» [стр. 3].
«Без потери информации» означает, что умозрительная операция проецирования не требуется, если мы понимаем, что наша информационная Вселенная реально существует на двух половинах одной сферической 2D поверхности — на голографическом горизонте (экране) с единой координатой времени, а фундаментальные законы физики — это естественный способ кодирования информации с потерями.
Идею о том, что все мы живем внутри гигантской голограммы Вселенной, никак не назовешь общепринятой. Но не подлежит сомнению и другой факт: эта странноватая, казалось бы, гипотеза с годами обретает все больше и больше сторонников среди серьезных физиков-теоретиков и экспериментаторов. Постоянно растущее количество теоретических исследований в разных областях физики подтверждает, что голографическая идея приводит к очень богатым и интересным теоретическим и практическим результатам. По этой причине с высокой долей вероятности голографический принцип можно считать фундаментом будущей физики.
Если мы принимаем супердетерминизм голографического принципа, то Вселенная можно представить как два естественно образованных и тесно связанных между собой генератора псевдослучайной последовательности, полученных парой спиральных одномерных пересекающихся космических струн. Предположим, что изначально информация появилась как два истинно случайных числа P и Q в остановленных двух генераторах случайных чисел (GRN), которые мы обозначили как начальные параметры Вселенной или т.н. «тонкая настройка Вселенной» (от англ. fine-tuning). Разница информации в GRN отражена в анизотропии Вселенной. Сразу после того момента как GRN был остановлен угол между струнами стал равным 90 градусов. На этих двух случайных числах основан псевдослучайный и естественно организованный механизм который может быть представлен двумя тесно связанными между собой генераторами но уже псевдослучайных чисел (GPRN).
Как будет видно ниже — из постулированного когерентного закона колебаний пары одномерных космических струн, голографический код Вселенной представляет собой кубит — два собственных состояния (они представленны фазами колебаний двух замкнутых на себя под углом в 90 градусов одномерных спирально закрученных космических струн): |0> и |1> принимает два значения, и могут одновременно фиксироваться на двух половинах одного сферического голографического экрана, т. е. могут находиться в суперпозиции в зависимости от предыдущей, естественным образом ранее записанной на экране информации. В такой нелинейной системе возникающая положительная и отрицательная обратная связь демонстрирует механизм эволюции информации начиная от квантового уровня, продолжая на уровне «яблок» и, заканчивая космологическим уровнем. Данное предположение демонстрирует пороговый характер информационных процессов (в цифровой технике аналогично жёсткой логике), исключает измерение (полностью детерминирован) и показывает зависимость механизмов положительной и отрицательной обратной связи от управляющего параметра (ранее записанной информации).
Сложная, способная к самоорганизации информация, при её перемещении по двум половинам одного сферического голографического экрана должна обладать набором механизмов, одни из которых играют роль отрицательных, другие – положительных обратных связей. Первые отвечают за стабильность, устойчивость, вторые – за развитие, рост сложности. Однако, положительная обратная связь также может принимать участие в установлении устойчивого состояния. Отрицательная и положительная обратная связь означает сложную форму причинной зависимости, когда результат предыдущего действия записывается на каждой из половин сферического экрана. Обратная связь влияет на дальнейший ход закрытого процесса. Если при таком самовоздействии энтропия увеличивается, то обратная связь становится отрицательной, если энтропия локальной системы уменьшается, то положительной.
Таким образом, отрицательная обратная связь снижает отклонение системы от установившегося режима. В этом случае она отвечает за рост энтропии, устойчивость классической системы, устранение отклонений, подавление нарушений и отвечает за генерирование фракталов (неотемленное свойства голограмм). В трёхмерном мире фракталы естественным образом возникают при моделировании нелинейных процессов, таких, как турбулентное течение жидкости, сложные процессы диффузии-адсорбции, пламя, облака и т. п.
На схеме представлен генератор псевдослучайных чисел GPRN, созданный парой тесно связанных между собой сдвиговыми регистрами (вправо сдвигаются только биты адреса в каждом регистре). Параллельные выходы каждого сдвигового регистра соединены с одним элементом сумматора по модулю с прямым и инверсным выходом — аналог двух замкнутых на себя под углом в 90 градусов спиральных одномерных космических струн. Значение выходного бита зависит от ранее записанной в двух регистрах информации с точностью до одного бита. Ни один бит информации в такой схеме GPRN не может быть потерян. Источником информационной энтропии являются начальные условия во Вселенной — различная температура Унру на двух её половинах как эквивалент двух ранее занесенных различных чисел P b Q в двух регистрах. Инфляция экрана приводит к асимметричному его раздутию и как эквивалент — к синхронному увеличению ячеек в двух регистрах сдвига. Информационная энтропия растет анизотропно на фоне глобального градиента температуры, таким образом, создаются энтропийные силы, направление которых кодируются вторым, недостающим в сумматоре по модулю битом.
Можно сказать, что GRN = GPRN + источник энтропии. Поскольку числа на двух половинах одной и той же инфляционной сферы существенно различаются (температура Унру на двух половинах сферического экрана может отличаться более чем на 30% — недавно экспериментально подтверждено.
Таким образом, при переходе через пороговое значение, определяемое ранее записанной информацией на двух половинах голографического экрана, происходит явление её самоорганизации. Возникает эволюция информации.
1. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ КОД ВСЕЛЕННОЙ
Что касается генерации голографического кода Вселенной, идея его поиска состоит в том, чтобы использовать основное свойство голограмм: каждый минимальный участок голограммы содержит информацию обо всём объекте. Основываясь на этом факте, постулируем предельно простую формулу когерентных колебаний любой точки в пустом пространстве. Когерентные колебания любой точки в трёхмерном пространстве выполняются её последовательными угловыми перемещениями за равные и малые промежутки времени вокруг каждой из неподвижных осей декартовых координат, триадами, по законам синуса и/или косинуса:
Загружаем формулу когерентных колебаний точки в обычный компьютерный симулятор динамики (подойдёт даже такая программа как 3D MAX), и на экране обычного компьютера, в изометрии, на двух половинах одной возникающей (emerged) сферической поверхности можно наблюдать динамику проекций и многочисленные свойства элементарных частиц Стандартной Модели. Одна параметрическая формула генерирует динамику проекций трёх поколений — всего зоопарка элементарных частиц.
Физики считают, что мы живем в гигантской голограмме
Некоторые физики на самом деле считают, что вселенная, в которой мы живем, может быть гигантской голограммой. Такое научное исповедание становится все более популярным. И самое интересное, что эта идея не совсем напоминает моделирование вроде «Матрицы», а скорее приводит к тому, что хотя нам кажется, что мы живем в трехмерной вселенной, у нее может быть всего два измерения. Это называется голографическим принципом.
Идея сводится к следующему: некоторая удаленная двумерная поверхность содержит все данные, необходимые для полного описания нашего мира — и, как и в голограмме, эти данные проецируются в три измерения. Подобно персонажам на телеэкране, мы живем на плоской поверхности, которая только кажется нам глубокой.
Звучит абсурдно. Но если физики придут к выводу, что их расчеты верны, все крупные проблемы физики — вроде природы черных дыр и примирения гравитации и квантовой механики — будет куда проще решить. Короче говоря, законы физики имеют больше смысла, когда написаны в двух измерениях, а не в трех.
«Среди большинства физиков-теоретиков эта идея не считается безумной, — говорит Леонард Сасскинд, физик Стэнфорда, который первым формально сформировал эту идею десятки лет назад. — Она стала рабочим повседневным инструментом для решения проблем физики».
Однако стоит отметить важный момент. Нет никаких прямых доказательств того, что наша вселенная на самом деле представляет собой двумерную голограмму. Эти расчеты не одно и то же, что математическое доказательство. Скорее, они являются интригующим предположением, что наша вселенная может быть голограммой. И пока не все физики уверены, что у нас есть хороший способ проверить идею экспериментально.
Откуда взялась идея, что Вселенная может быть голограммой?
Изначально эта идея появилась из пары парадоксов, связанных с черными дырами.
1. Парадокс потери информации в черной дыре
В 1974 году Стивен Хокинг открыл, что черные дыры, вопреки устоявшимся убеждениям, излучают небольшое количество радиации со временем. В конечном счете, когда вся энергия вытечет за горизонт событий — внешнюю границу черной дыры, — черная дыра должна полностью исчезнуть.
Тем не менее эта идея привела к появлению проблемы потери информации в черной дыре. Долгое время считалось, что физически информацию уничтожить нельзя: все частицы принимают оригинальную форму, либо в случае изменения влияют на другие частицы, поэтому по изменениям можно восстановить изначальное состояние частиц.
В рамках аналогии представьте стопку документов, которую скармливают шредеру. Даже если документы будут разорваны на мельчайшие частицы, информация в них все еще будет существовать. Она будет разбита на мелкие части, но не исчезнет, и за определенное время документ можно будет собрать заново. Поэтому вы сможете узнать, что в нем было записано. По сути, то же самое можно применить к частицам.
Но есть проблема: если черная дыра исчезает, информация о каждом засосанном в нее объекте тоже кажется исчезнувшей.
Одно из решений, предложенное Сасскиндом и голландским физиком Герардом т’Хоофтом в середине 90-х, заключалось в том, что когда объект затягивается в черную дыру, он оставляет позади своего рода двумерный отпечаток, закодированный в горизонте событий. Позже, когда излучение выходит из черной дыры, оно подхватывает отпечатки этих данных. Таким образом, информация не разрушается на самом деле.
Расчеты показали, что на двумерной поверхности черной дыры можно хранить достаточно информации, чтобы полностью описать все возможные трехмерные объекты внутри.
«Аналогия, о которой мы оба подумали независимо, это что-то вроде голограммы — двумерного куска пленки, на которой можно закодировать информацию о трехмерном регионе пространства», — говорит Сасскинд.
2. Проблема энтропии
Также была связанная с этим проблема расчета количества энтропии в черной дыре — то есть количества беспорядка и случайности среди ее частиц. В 70-х годах Яаков Бекенштейн подсчитал, что ее энтропия ограничена и ее планка пропорциональна двумерной области горизонта событий черной дыры.
«Для систем ординарной материи энтропия пропорциональна объему, а не площади», — говорит Хуан Малдасена, аргентинский физик, участвовавший в исследовании голографического принципа. В конечном счете он и другие пришли к выводу, что то, что выглядит как трехмерный объект — черная дыра, — может быть лучше понято в двух измерениях.
Как эта идея перешла от черных дыр к целой Вселенной?
Ничто из этого не доказывает, что черные дыры — голограммы. Но почти сразу, говорит Сасскинд, физики признали, что рассмотрение Вселенной как двумерного объекта, который только кажется трехмерным, может помочь решить массу глубочайших проблем теоретической физики. Математика теории работает одинаково хорошо вне зависимости от того, говорите вы о черной дыре, планете или целой Вселенной.
В 1998 году Малдасена продемонстрировал, что гипотетическая вселенная может быть голограммой. Его частной гипотетической вселенной было так называемой анти-де-ситтеровское пространство (простыми словами, изогнутая на больших расстояниях форма, в отличие от нашей плоской вселенной).
И что еще более важно, в процессе этого, он объединил две невероятно важных и отдельных концепции физики в одни теоретические рамки. «Голографический принцип соединил теорию гравитации с теориями физики элементарных частиц», — говорит Малдасена.
Сочетание двух этих фундаментальных идей в одну последовательную теорию (часто называемую квантовой гравитацией) остается одним из святых Граалей физики. Конечно, и это тоже не говорит нам о том, что наша вселенная — а не гипотетическая — является голограммой.
Может ли наша вселенная в принципе быть голограммой — или эта идея применима только к гипотетической? Это остается предметом ожесточенных дебатов.
В последнее время было проведено много теоретической работы, которые навели на мысли, что голографический принцип может работать для нашей Вселенной — включая работы высокого профиля австрийского и индийского физиков, которые вышли в мае.
Как и Малдасена, они также стремились применить принцип и найти сходство между разнородными областями квантовой физики и теории гравитации. В нашей Вселенной, две эти теории не сходятся: они предсказывают разные результаты в отношении поведения любой отдельной частицы.
Но в новой работе физики рассчитали, как эти теории могут предсказать степень запутанности — странного квантового явления, при котором состояния двух крошечных частиц могут коррелировать так, что изменение одной частицы повлияет на другую даже на огромном расстоянии. Ученые выяснили, что рассматривая одну конкретную модель плоской вселенной как голограммы, они могут получить совпадающие результаты из обеих теорий.
Тем не менее, хотя это немного ближе к той вселенной, над которой работал Малдасена, ученые работали только с одним частным типом плоского пространства, а их расчеты не принимали во внимание время — только три пространственных измерения. Более того, даже если бы это можно было применить напрямую к нашей Вселенной, это показало бы только то, что она может быть голограммой.
Как доказать, что наша Вселенная — голограмма?
Лучший тип доказательства должен начинаться с какого-нибудь проверяемого предсказания, выводимого в рамках голографической теории. Физики-экспериментаторы могли бы собрать доказательства, чтобы увидеть, соответствуют ли результаты предсказаниям. К примеру, теория Большого Взрыва предсказала, что мы могли бы найти остатки энергии, исходящей от всей Вселенной в результате жестокого расширения 13,8 миллиарда лет назад — и в 1960-х годах астрономы именно это и нашли, в виде космического микроволнового фона.
В настоящее время нет универсального испытания, которое обеспечило бы твердые доказательства этой идее. Тем не менее некоторые физики считают, что голографический принцип предсказывает предел тому, сколько информации может содержать пространство-время, поскольку наше кажущееся трехмерное пространство-время закодировано в ограниченном количестве двумерной информации.
Другие физики, включая Сасскинда, не верят в этот эксперимент и говорят, что он не обеспечит никаких доказательств голографическому принципу.
Хорошо, мы живем в голограмме. Что дальше?
Строго говоря, ничего. Законы физики, по которым вы проживаете свою жизнь, останутся прежними. Ваш дом, пес, машина, тело будут продолжать оставаться трехмерными объектами, какими всегда казались и были. Но в глубоком смысле, это открытие произведет революцию в нашем существовании на фундаментальном уровне.
Для нашей повседневной жизни не имеет никакого значения, что 13,8 миллиарда лет назад во внезапном и жестоком взрыве, из единичной точки материи, образовалась наша Вселенная. Но открытие Большого Взрыва остается важным инструментом в нашем понимании истории Вселенной и понимании нашего места в космосе.
Точно так же странные принципы квантовой механики — запутанность, в которой две удаленные частицы каким-то образом влияют друг на друга, — никак не влияют на нашу повседневную жизнь. Вы не видите атомы и не знаете, что они делают на мельчайшем уровне. Но эти принципы позволяют нам открывать неожиданные законы природы.
Подтверждение голографического принципа станет таким же. Проживая свою жизнь, мы можем даже никогда не узнать о своеобразном и противоречивом факте, что живем в голограмме. Но это открытие станет важным шагом на пути к полному пониманию законов физики — которые определяют каждое действие, которое вы предпринимаете.
Что такое голографическая Вселенная? Черные дыры, теория струн и дуальное описание природы
Недавно физики представили расчеты, согласно которым пространства с плоской метрикой (а это в том числе и наша Вселенная) могут быть голограммами. В своей работе авторы использовали идею AdS/CFT-соответствия (anti-de Sitter / conformal field theory correspondence) между конформной теорией поля и гравитацией. На частном примере такого соответствия ученые показали эквивалентность описания этих двух теорий. Так что же такое голографическая Вселенная и при чем тут черные дыры, дуальность и теория струн?
В основе этой работы лежит так называемый голографический принцип, утверждающий, что для математического описания какого-либо мира достаточно информации, которая содержится на его внешней границе: представление об объекте большей размерности в этом случае можно получить из «голограмм», имеющих меньшую размерность. Предложенный в 1993 году нидерландским физиком Герардом’т Хоофтом принцип применительно к теории струн (называемой также M-теорией или современной математической физикой) воплотился в идее AdS/CFT-соответствия, на которое в 1998 году указал американский физик-теоретик аргентинского происхождения Хуан Малдасена.
В этом соответствии описание гравитации в пятимерном пространстве анти-де Ситтера — пространстве отрицательной кривизны (то есть с геометрией Лобачевского) — при помощи теории суперструн оказывается эквивалентным некоторому пределу четырехмерной суперсимметричной теории Янга-Миллса, определенной на четырехмерной границе пятимерия. В несуперсимметричном случае четырехмерная теория Янга Миллса составляет основу Стандартной модели — теории наблюдаемых взаимодействий элементарных частиц. Теория же суперструн, базирующаяся на предположении существования на планковских масштабах гипотетических одномерных объектов — струн — описывает пятимерие. Приставка «супер» при этом означает наличие симметрии, в которой у каждой элементарной частицы имеется свой суперпартнер с противоположной квантовой статистикой.
Эквивалентность описания означает, что между наблюдаемыми теориями существует однозначная связь — дуальность. Математически это проявляется в наличии соотношения, позволяющего рассчитать параметры взаимодействий частиц (или струн) одной из теорий, если известны таковые для другой. При этом никакого другого способа это сделать для первой теории нет. Идею дуальности и голографический принцип иллюстрируют два примера, демонстрирующие удобство таких аналогий при описании явлений в масштабах от элементарных частиц до вселенной. Вероятно, такое удобство имеет фундаментальные основания и является одним из свойств природы.
Первый пример — дуальность описания черных дыр и конфайнмента кварков («невылетания» кварков — элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях — адронов). Опыты по рассеиванию на адронах других таких частиц показали, что они состоят из двух (мезоны) или трех (барионы — таких, как например, протоны и нейтроны) кварков, которые не могут находиться, в отличие от других элементарных частиц, в свободном состоянии.
Работа физиков из Индии, Австрии и Японии основана на вычислении энтропии Реньи для соответствия между двумерной конформной теорией поля (описывающей элементарные частицы) и гравитацией в трехмерном пространстве анти-де Ситтера. Ученые на примере квантовой запутанности (которая проявляется тогда, когда свойства объектов, первоначально связанных между собой, оказываются скоррелированными даже при их разнесении на расстояние между собой) показали, что энтропия принимает одинаковые значения в плоской квантовой гравитации и в двумерной теории поля.
Такая ненаблюдаемость кварка видна в компьютерных расчетах, однако теоретического обоснования пока не имеет. Математическая формулировка этой задачи известна как проблема «массовой щели» в калибровочных теориях, и это одна из семи задач тысячелетия, сформулированных институтом Клэя. К настоящему моменту только одну из сформулированных задач (гипотезу Анри Пуанкаре) удалось решить — это сделал более десяти лет назад российский математик Григорий Перельман.
При удалении друг от друга взаимодействие между кварками только усиливается, тогда как при приближении их друг к другу — слабеет. Это свойство, названное асимптотической свободой, предсказали американские физики-теоретики и лауреаты Нобелевской премии Фрэнк Вильчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер. Теория струн предлагает эффектное описание этого явления с использованием аналогии между «невылетанием» частиц из-под горизонта событий черной дыры и удержанием кварков в адронах. Однако такое описание приводит к ненаблюдаемым эффектам и поэтому применяется лишь в качестве наглядного примера.
Материалы по теме
Заткнись и считай
Другой пример — соотношение, согласно которому энтропия черной дыры пропорциональна квадрату площади ее горизонта событий — области пространства, откуда попавшее в черную дыру тело (исключая квантовые эффекты и возможное существование червоточин) выбраться никогда не сможет. Израильский физик Яков Бекенштейн показал это в 1972 году, исходя из физических соображений, а его выводы два года спустя уточнил англичанин Стивен Хокинг. Получается, что, зная информацию только о границе черной дыры (площадь горизонта событий), можно определить ее внутреннюю характеристику — энтропию, являющуюся мерой неупорядоченности внутреннего состояния системы.
Дуальности и голографический принцип, реализованные как AdS/CFT-соответствие, пока не нашли точного математического обоснования, а большинство моделей, с которыми работают физики-теоретики, относятся к специфическим пространствам и взаимодействиям. Однако остается надежда, что с течением времени гравитация и Стандартная модель физики частиц получат универсальное описание в реальных пространствах, и, скорее всего, это произойдет именно в теории струн.