Denník N

Žijeme v holograme?

Krátka odpoveď: nie. Dlhšia odpoveď: možno. Ak vás zaujíma ešte dlhšia, čítajte ďalej.

Takáto správa sa šíri internetom už pár týždňov a ja som dúfal, že to niekto pekne vysvetlí a ušetrí mi prácu, ja len pridám link na Vedátora. Veľmi sa mi o tom nechcelo písať – a to aj napriek tomu, že holografickému princípu sa čiastočne vo výskume venujem. Vysvetliť čo sa tým vlastne myslí a prečo sa ním ľudia vôbec zaoberajú nie je jednoduché. Ak teda máte chuť na dlhú odpoveď, pripravte sa na prelet ponad niekoľko rôznych oblastí fyziky.

Začnime tým, čo je to vlastne hologram. Ľudia sú trojrozmerné bytosti pohybujúce sa v trojrozmernom svete. Keď chcete vedieť ako niekto vyzerá, musíte si ho obzrieť z viacerých uhlov, pozrieť sa spredu, zozadu, zboku atď.

Ak niekoho odfotíte, časť informácie sa stratí – viete ako vyzerá spredu, no nie zboku či zozadu. Nie sa čomu diviť, fotka je predsa iba dvojrozmerná. Ak chcete zachovať celú informáciu, môžete napríklad spraviť veľa fotiek, pod rôznymi uhlami a následne z nich v počítači spraviť 3D model.

Existuje aj iná možnosť a tá sa volá hologram, čiže zachytený 3D obraz na 2D ploche. Bežne sa robí pomocou laserov, no dá sa aj bez nich. Ako príklad si napríklad pozrite ochranné známky na bankovkách – obrázok sa mení podľa toho, ako ju natočíte.

Hologram zvierat (na monitore to samozrejme vyzerá len ako fotka).

Ako súvisia hologramy s vesmírom? Nato si musíme vysvetliť ďalší pojem – entropiu. Entropia je miera neusporiadanosti systému, hovorí koľko informácie potrebujeme na jeho opis.

Predstavte si, že ste predseda triedy a máte nahlásiť obedy pre svojich 30 spolužiakov, pričom každý ma na výber z 5 rôznych jedál. Ideálny (usporiadaný) prípad by bol, že chcú všetci to isté. V takom prípade stačí napísať “všetci kura s ryžou” a máte vybavené.

Ak to ale nikto neorganizuje a každý sa rozhoduje za seba, dopadne skôr nejako takto: Jožo kura, Peťo palacinky, Nikol brokolicu … a vy musíte pre pani kuchárky napísať dlhý a podrobný zoznam. Takýchto neusporiadaných možností je oproti tým usporiadaným šialene veľa, môžete medzi sebou rôzne poprehadzovať osoby a ich objednávky (Nikol palacinky, Jožo tiež, Peťo brokolica, …) a dostanete iný, no podobne komplikovaný zoznam.

Entropia je miera neusporiadanosti systému.

Ďalší dôležitý pojem sú čierne diery, teda objekty tak hmotné, že ich obklopuje hranica, tzv. horizont udalostí, spod ktorej neunikne ani svetlo. Známy astrofyzik Stephen Hawking spravil dieru do sveta objavom, že čierne diery predsa len trochu sálajú (častice vznikajú na ich hranici a môžu tak uniknúť do priestoru). Vieme im tak priradiť teplotu a entropiu. To, že má čierna diera entropiu je šokojúce z dvoch dôvodov.

Za prvé, čierna diera je opísaná pomocou troch čísiel – hmotnosť, elektrický náboj a spin. Ak chcete do kuchyne poslať objednávku na čiernu dieru, vždy vám stačia tieto tri čísla. O neusporiadaní čoho teda entropia hovorí? (Nikto nevie presne, stále sa vedú spory. Ak zachytíte, že Hawking o niečom píše, tak asi práve o tomto.)

Čierna diera a zakrivený (časo)priestor v jej okolí.

Za druhé, entropia čiernych dier je úmerná ich ploche, nie ich objemu, a toto je prinajmenšom rovnako šokojúce – informácia o 3D objekte je úmerná jeho 2D ploche – a toto zaváňa hologramom.

Čierne diery sú najhustejšie objekty vo vesmíre, takže informácia o menej hustých objektoch (vzduchu, kameňoch, ľuďoch, …) by teda tiež mala byť zakódovateľná v niečom 2D. Neskôr sa ukázalo, že celá informácia o 3D vesmíre sa dá zakódovať do 2D plochy – hranice, ktorá ho obklopuje.

Znamená to teda, že v skutočnosti svet odohráva na hranici vesmíru a všetko čo vnímame je len 3D projekcia, teda hologram? Niektorí si to myslia. Stále sa to dá ale interpretovať aj tak, že vesmír je 3D, len plytvá pri uchovávaní informácie. Tu sa ale príbeh ešte nekončí – sotva sa len začal.

Naše súčasné porozumenie vesmíru vychádza z dvoch teórií. Einsteinova teória opisuje gravitáciu, ktorá zohráva úlohu pri veľmi hmotných (a teda spravidla veľmi veľkých) objektoch – planétach, hviezdach či čiernych dierach.

Na opačnej strane spektra je štandardný model, teda časticová fyzika, ktorá opisuje kvantový svet elementárnych častíc.

Keď začnete s hocijakou otázkou, napríklad prečo prší alebo prečo horí oheň a budete sa dosť dlho pýtať “A prečo? A prečo?” tak sa skôr či neskôr dostanete do bodu “lebo tak kážu zákony Einsteinovej gravitácie alebo štandardný model”.

Predstavujú tieto dve teórie poslednú zastávku na trati “A prečo? A prečo?” Myslíme si, že nie. Ak sa ich pokúsime spojiť, prestávajú fungovať. Pritom však vieme, že vo vesmíre existujú aspoň dva príklady, ktoré sú mikroskopické (a tak si pýtajú kvantový opis) a zároveň extrémne hmotné (a tak obsahujú silnú gravitáciu). Prvým je singularita, teda (takmer) nekonečne husté jadro čiernej diery, druhým je vesmír v čase veľkého tresku.

Formuláciu kvantovej gravitácie zatiaľ nepoznáme, resp. jej nerozumieme, no významným kandidátom je teória strún a jej nadstavba – M-teória. Teória strún púta pozornosť už dlhé roky, dokáže prepojiť kvantový svet s gravitáciou, no experimentálne ju nevieme overiť – a pravdepodobne ešte dlho ani nebudeme.

No a aj v tejto teórii sa objavil holografický princíp, ktorý hovorí, že správanie fyzikálneho systému sa dá plne zakódovať do hranice, ktorá ho obkolesuje. Najznámejším príkladom je tzv. AdS/CFT dualita, ktorá hovorí, že ak máte teóriu (kvantovej) gravitácie vo vnútri nejakej oblasti, môžete ju rovnako dobre opísať (v niektorých prípadoch) jednoduchšou časticovou fyzikou na jej povrchu. Uf, znie to komplikovane a aj to pomerne komplikované je!

Pokúsim sa to trochu zjednodušiť. Predstavte si mydlovú bublinu – je plná vzduchu, čiže obrovského množstva atómov a molekúl, ktoré v nej poletujú, sem tam sa zrazia, sem tam chemicky zreagujú – zložitý malý svet, ktorý sa riadi svojimi zákonmi.

Na povrchu mydlovej bubliny vidíme rôzne farby, tie sa po nej vrtia, hmýria, prevaľujú cez seba. Aj keď ich pohyb vyzerá chaoticky, no tiež sa riadi vlastnými zákonmi.

Pre mydlovú bublinu by holografický princíp znamenal, že správanie molekúl v jej vnútri presne odpovedá správaniu farebných škvŕn na jej povrchu – a to aj napriek tomu, že sa riadia (zdanlivo) rozdielnymi zákonmi.

Pre mydlovú bublinu holografický princíp neplatí, no pre náš vesmír by mohol, M-teória odhaľuje isté náznaky. Za bežných podmienok by sme si nevšimli rozdiel, no tesne po Veľkom tresku by to mohlo zanechať isté stopy v reliktovom žiarení – teda svetle, ktorá sa takmer od počiatku vesmíru šíri priestorom.

Vedci sa pokúsili tento predpoklad otestovať a dospeli k záveru, že je naozaj v zhode s nameranými dátamii. Lenže to je aj model bez holografického princípu a tak to naozaj nemôže interpretovať ako dôkaz, že je vesmír naozaj hologram.

Na druhej strane holografický vesmír ani nevylúčili a tak táto možnosť stále zostáva otvorená. Budeme si musieť počkať na experiment, ktorý dokáže holografický a neholografický vesmír odlíšiť.

Ďalšia možnosť je, že sa ukáže, že holografický princíp len nesprávne interpretujeme a správne pochopenie nám poodhalí napríklad niečo o vzniku vesmíru – a to za tú námahu stojí.

Viac článkov o vede nájdete na FB stránke Vedátor_sk


Poznámky pod čiarou:

1. To, že sú čierne diery opísané len pomocou troch čísiel sa volá “black hole has no hair theorem” (čierna diera nemá chlpy) – všetky nerovnosti totiž gravitácia zarovná. Vraví sa, že jeho autor si možné, ehm, dezinterpretácie názvu neuvedomil. Kip Thorne ale tvrdí opak, vraj sa na nevinného iba hral.

2. Nech ma opraví nejaký expert, ale podstata bežných hologramov vždy spočíva v tom, že naozaj nejde len o 2D plochu, tretí rozmer, aj keď len veľmi malý, zohráva kľúčovú úlohu.

3. Opísať CfT ako časticovú fyziku nie je presné, ale presnejšie ako hocijaká snaha vysvetliť slová ako konformná či kalibračná (teória poľa). Radšej to sem píšem, nech mi niekto nevynadá.

4. Link na nedávno publikovaný článok o experimentálnom teste holografického vesmíru a na jeden z dvoch článok, ktoré túto oblasť naštartovali.

5. V úvode som spomínal, že vo výskume sa zaoberám aj touto témou. Ak by niekoho zaujímalo, čo to obnáša, stručne to opíšem.

AdS/CfT dualita (resp. holografický princíp v M-teórií) ktorú som spomínal je len na úrovni hypotézy – nie je dokázaná. Čo teda ľudia začali robiť je, že sa ju pokúšajú testovať. To znamená nájsť systém, ktorý je na jednej strane opísaný (super)gravitáciou, na druhej kvantovou teóriou (poľa) a pokúsi sa ukázať, že ich vnútorná dynamika opisuje naozaj to isté.

Toto je ale ťažké porovnávať, sú to hrušky a jablká – treba tak nájsť niečo univerzálne, nejaký spoločný aspekt. Možným kandidátom je skúmať ako sa energia systému mení s teplotou. Zoberieme teda dva úplne rôzne systémy, pozeráme sa ako sa správajú keď sa mení teplota (alebo iný parameter) a oni sa prekvapivo správajú úplne rovnako.  To by v tom musela byť nejaká čertovina aby to bola iba náhoda.

Teraz najčítanejšie

Samuel Kováčik

Absolvent teoretickej fyziky na Bratislavskom Matfyze, momentálne pôsobiaci na výskumnom inštitúte v Dubline.