Иногда я пишу собственные авторские статьи, иногда делаю переводы. Обычно я перевожу то, что мне показалось крайне необычным и интересным. И вот недавно мне снова повезло и я наткнулся на поразительную статью, которая мне показалась и крайне удивительной, и интересной, и даже, может быть, гениальной. Гениальность этой статьи в том, что в ней на примере трех довольно простых мысленных экспериментов показывается, почему современные физики больше не считают пространство и время фундаментальными, а скорее производными от реальности более глубокого уровня. Оригинал здесь. Приятного чтения!
Целое созвездие научных головоломок указывает на то, что континуум пространства-времени, в котором, как нам кажется, мы живём, не является фундаментальным, а представляет собой лишь приближение к чему-то более глубокому, и что концепция пространства-времени в конечном счёте будет заменена более базовыми элементами в следующей модели физиков, созданной для описания реальности.
Три мысленных эксперимента, показывающих нефундаментальность пространства-времени, кружат голову. Один показывает, что существует минимальный масштаб длины, ниже которого никакой эксперимент не может дать результат. Другой раскрывает, что ни одно физическое свойство — длина, масса, скорость или что-либо иное — не может быть измерено с абсолютной точностью с близкого расстояния. История научила физиков не игнорировать такие слепые пятна, потому что ситуации, которые невозможно наблюдать, могут не быть фундаментальными.
"Мы не можем полагаться на что-то, чего фактически нет и чему нельзя операционно придать значение", — сказал Нима Аркани-Хамед, физик из Института перспективных исследований.
Третий мысленный эксперимент касается загадочного свойства любой области пространства: её информационная ёмкость очень велика, но значительно меньше, чем должна быть, учитывая её объём. "Если она значительно меньше, тогда почему кажется, что в пространстве есть все эти различные точки?", — спрашивает физик Виджай Баласубраманьян.
Вместе эти три мысленных эксперимента растягивают ткань пространства-времени до тех пор, пока она не начинает рваться.
Мысленный эксперимент #1: Увеличение масштаба пространства-времени
Задача: Исследовать законы физики на всё меньших и меньших расстояниях.
Ученые изучают законы физики, сталкивая частицы друг с другом. Частицы обладают волновой природой. Чем выше их энергия, тем короче их длина волны. А чем короче их длина волны, тем меньшей площадью взаимодействуют частицы. Таким образом, исследование реальности на всё меньших расстояниях требует частиц с большей энергией и короче длиной волны. Если столкновение сосредотачивает достаточно много энергии в маленьком регионе, частицы образуют чёрную дыру и никогда не достигнут детектора. Следовательно, существует минимальное расстояние — известное как планковская длина — ниже которого мы даже не можем мечтать собирать данные.
Вывод: Если никаких измерений ниже планковского масштаба произвести нельзя, возможно, такое пространство-время, как мы его знаем, там не существует.
Мысленный эксперимент #2: Локальные измерения
Задача: Измерить любое физическое свойство любого объекта в пространстве-времени.
Все измерения имеют некоторую неизбежную неопределённость из-за квантовых флуктуаций частиц. Эта неопределённость быстро уменьшается по мере увеличения числа частиц, поэтому она незаметна в повседневных объектах — даже для экспериментаторов. Но она всё равно присутствует. Чтобы уменьшить неопределённость измерения, нам нужен прибор для измерений с меньшей собственной неопределённостью и, следовательно, наполненный большим количеством частиц. Плотность устройства может возрастать только до определённого предела, после чего оно формирует чёрную дыру. Поэтому мы не можем точно измерить желаемое свойство.
Вывод: Получается, что невозможно определить физические свойства объектов в пространстве-времени, и, следовательно, существует другой уровень организации материи, который по-настоящему точен и истинен.
Мысленный эксперимент #3: Хранение информации
Задача: Упаковать столько информации, сколько возможно, в фиксированную область пространства-времени.
Начните с заполнения любой области пространства-времени — например, комнаты — книгами. Сколько информации включают в себя страницы? Теперь попробуйте более плотный носитель: цифровая информация, хранящаяся на современном жёстком диске. Сколько информации теперь содержит наша область? Очевидно, гораздо больше, чем книги. Можно ли сделать еще лучше? Представьте идеальное устройство для хранения информации во Вселенной. Возможно, такой "супер жёсткий диск" мог бы кодировать информацию в материале нейтронной звезды, самой плотной известной формы материи. Теперь наша область может вместить гораздо больше информации. Но попытайтесь добавить всего один дополнительный байт, и произойдет нечто драматическое. Комната обрушится в чёрную дыру.
Оказывается, чёрные дыры являются наиболее плотными возможными контейнерами информации. Но сколько информации они могут нести? Это странно, но согласно расчётам 1970-х годов Якова Бекенштейна и Стивена Хокинга, количество информации, которое может хранить черная дыра, зависит от площади её поверхности, а не от её объёма. Это может означать, что любое событие, происходящее "внутри" чёрной дыры, записывается на её поверхности.
Вывод: Возможно, чёрные дыры — и, соответственно, все области пространства-времени — являются голографическими проекциями данных, существующих на двумерной поверхности неизвестной природы.
* * *
Эти мысленные эксперименты предполагают, что ткань пространства-времени, которая, казалось бы, составляет Вселенную, которую мы населяем, может разрушаться в экстремальных условиях. А если это так, нам может потребоваться более глубокое описание реальности, нам нужно проникнуть на такой уровень реальности, который не разваливается и состоит из более фундаментальных строительных блоков.
