Мат фон Хипел
Парадоксът на празната вселена: Ролята на наблюдателя в квантовата гравитация
Занимавайки се с математиката на квантовото пространство и време, физиците откриха озадачаваща загадка. Тайнствените правила на квантовата теория и гравитацията им позволяват да си представят много различни видове вселени в прецизни детайли, което позволява мощни мисловни експерименти, които през последните години разглеждат дългогодишни мистерии, въртящи се около черните дупки.
Но когато група изследователи изследваха вселена, интригуващо подобна на нашата, през 2019 г., откриха парадокс: теоретичната вселена сякаш допуска само едно възможно състояние. Изглеждаше толкова прост, че съдържанието му можеше да бъде описано без да предава и един бит данни, дори без избор между нула или едно. Този резултат се сблъскваше с факта, че този тип вселена би трябвало да може да приема черни дупки, звезди, планети — и хора. Но всички тези богати детайли никъде не се виждаха.
«Оглеждаме се и със сигурност светът изглежда по-сложен от това», каза Роб Майърс, теоретичен физик в Института за теоретична физика Perimeter в Уотърлу, Канада, който не е бил пряко ангажиран с това изследване.
Физиците имат основателна причина да се доверят на изчислението, което се основава на фундаментални физични идеи. Математиката предполага вселена само с едно състояние; нашата вселена очевидно не е такава. Сега екип от теоретици е предложил възможен отговор. Парадоксалният резултат настъпи, когато физиците търсеха обективно описание на състоянието на цяла вселена. Но такова описание може би не е възможно, дори по принцип. То имплицитно предполага, че съществува вселена, която съществува без наблюдател, който да я наблюдава. И може би без наблюдатели сложността на вселената губи своя смисъл.
Шокиращ спор
За физици, страстни към квантовата механика и гравитацията, двете теории се оказаха изключително трудни за комбиниране. Теорията на струните е предполагаемо решение на проблема, като се заменят частиците с миниатюрни дължини на вибрираща струна, за да се изгладят препятствията, които обричат други кандидат-теории. Въпреки това, математиката на теорията е предизвикателна и нейните последици е трудно да се изясни.
Но преди почти 30 години, знакова научна статия от Хуан Малдасена, физик от Института за напреднали изследвания (IAS), показа, че трудните изчисления в теорията на струните понякога могат да бъдат заобиколени и да се извършват с познати концепции от физиката на елементарните частици. Уловката е, че този подход работи само ако вселената има необичайна «анти-де Ситер» геометрия.
-
Анти-де Ситер вселена има граница, често илюстрирана като консервна кутия.
-
Забележително е, че всичко, което се случва вътре в кутията – от сблъскващи се частици до въртящи се черни дупки – се разкрива чрез сенки по външната граница на кутията.
-
Все едно 3D вселената вътре е еквивалентна на изображение на плосък екран, концепция, която физиците наричат холография.
Холографията донесе големи пробиви. През 2019 г. Малдасена и трима негови колеги от IAS — Ахмед Алмейри, Рагху Махаджан и Ин Джао — използваха холографско мислене, за да разберат по-добре какво се случва вътре в черна дупка. Надграждайки върху предишна работа, те предложиха «Формула за острова», която проследява границите на различни региони в черната дупка. Скоро това помогна на тях и други да открият потенциално обяснение за дългогодишна мистерия: Как черните дупки могат да разкрият информация за това, което е паднало в тях — което квантовата теория твърди, че трябва да се случи — когато това би изглеждало като противоречие на абсолютната природа на гравитацията на черната дупка?
Техният успех даде увереност на физиците, че формулата на острова е надежден начин за разбиране на квантовата гравитация, а последващите резултати показаха, че тя може да се справи и извън първоначалния си анти-де Ситеров контекст.
Но това беше само загрявка.
«Черните дупки са наистина добра тестова площадка за идеи, но не там е големият залог», каза Хенри Максфийлд, физик в Станфордския университет. «Важният въпрос за квантовата гравитация е квантовата космология» — стремежът да се разбере много ранната вселена.
Проблемът е, че не живеем в «анти-де Ситер» тенекиена вселена. Природата на разширяването на вселената предполага, че тя няма граница. Колкото и далеч да пътуваш, никога няма да стигнеш до ръба.
Един от начините една вселена да няма ръб е да има «затворена» геометрия. В този случай пътешественик, движещ се по права линия, може в крайна сметка да се върне там, откъдето е тръгнал, подобно на това, ако се качиш в самолет и летиш право на изток.
Тъй като нашата вселена може да бъде затворена по този начин, Малдасена скоро прилага островната формула към затворена вселена. Откри нещо, което колегите му трудно приемаха: затворената област изглеждаше почти напълно празна.
«Бях доста шокирана от този аргумент», каза Джао. «Опитах се да споря с него.»
Щяха да отнемат няколко години, но Джао в крайна сметка откри дупка в празната вселена на Малдасена.
Чиста плоча
Затворените вселени, които Малдасена изследваше, не бяха празни от маса или енергия. Те бяха лишени от нещо още по-важно: информация.
Когато физиците изучават квантови теории, те трябва да следят всяко възможно състояние, в което физична система може да бъде. За целта използват абстрактно пространство, наречено Хилбертово пространство. Хилбертовите пространства, наречени на математика от началото на XX век Давид Хилберт, обясняват различни квантови състояния чрез добавяне на нови математически измерения. Колкото повече измерения има, толкова повече информация тези Хилбертови пространства могат да кодират.
-
Проста система, като компютърен бит, който може да бъде или нула, или едно, може да има две измерения.
-
Повечето квантови системи са много по-сложни. Вземете един атом водород. Електронът му може да достигне все по-високи орбити, когато му дадеш повече енергия. В този случай броят на възможните състояния е неограничен и затова неговото Хилбертово пространство е безкрайномерно.
Повечето реални квантови системи имат тази характеристика. Физиците затова очакват цяла вселена да има безкраен брой състояния. Но когато Малдасена приложи формулата за острова към затворена вселена, той откри, че тя има Хилбертово пространство само с едно измерение. Нямаше никаква информация. Цялата вселена и всичко в нея може да бъде само в едно квантово състояние. Липсваше дори сложността на един бит.
Това заключение се стори парадоксално на физиците, като се има предвид, че и ние можем да живеем в затворена вселена. И ясно виждаме много повече от едно състояние около нас.
«На бюрото ми има безкраен брой състояния», каза Едгар Шагулиан, физик в Калифорнийския университет, Санта Круз.
Но докато физиците продължаваха да изучават различни типове затворени вселени, те продължаваха да виждат един и същ модел. Докато групата от IAS разглеждаше черни дупки, Максфийлд и неговият сътрудник Доналд Маролф разглеждаха хипотетични квантови балончета на пространство-времето, наречени «бебешки вселени». Те намериха същата сурова простота. Все по-често изглеждаше, че безплодието на затворените вселени е универсална тенденция.
«Накрая повярвахме», каза Джао.
Възвръщаемост на сложността
Ситуацията поставя парадокс: изчисленията последователно предполагат, че всяка затворена вселена има само едно възможно състояние. Но нашата вселена, която много добре може да е затворена, изглежда безкрайно по-сложна. Какво става?
В есе от 2023 г. Шагулиан отбелязва, че физиците са виждали това странно поведение и преди в теории, наречени топологични полеви теории. Математиците използват тези теории, за да картографират формата или топологията на геометричните пространства. Топологичните полеви теории могат да имат и едномерни Хилбертови пространства. Но ако разделите геометричното пространство на няколко зони, можете да го опишете по много различни начини. За да следите всички нови възможности, ви трябва по-голямо Хилбертово пространство.
«Правилата на играта се променят», каза Шагулиан.
Шагулиан предложи, че може да има подобен начин за разделяне на затворена вселена: да се включи наблюдател.
Квантовата механика изисква разграничение между наблюдателя — като учения, който провежда експеримент — и системата, която наблюдава. Системата обикновено е нещо малко и квантово, като атом. Наблюдателят е голям и далечен, затова е добре описан от класическата физика. Шагулиан отбелязва, че това разделение е аналогично на това, което разширява Хилбертовите пространства на топологичните полеви теории. Може би наблюдател би могъл да направи същото с тези затворени, невъзможно прости на пръв поглед вселени?
През 2024 г. Джао се премества в Масачузетския технологичен институт (MIT), където започва да работи по проблема как да се постави наблюдател в затворена вселена. Тя и двама колеги — Даниел Харлоу и Михайло Усатюк — смятаха наблюдателя за въвеждащ нов вид граница: не границата на вселената, а границата на самия наблюдател. Когато погледнете класическия наблюдател в затворена вселена, цялата сложност на света се връща, показаха Джао и нейните сътрудници.
На този етап всички замесени подчертават, че не знаят пълното решение. Самият парадокс може да е недоразумение, което изчезва с нов аргумент. Но засега добавянето на наблюдател към затворената вселена и опитът да се обясни неговото присъствие може да е най-безопасният път.
«Наистина ли съм уверена да кажа, че е правилно, че това е нещото, което решава проблема? Не мога да кажа това. Правим всичко възможно», каза Джао.
Ако идеята се утвърди, използването на субективната природа на наблюдателя като начин за обяснение на сложността на вселената би представлявало смяна на парадигмата във физиката. Физиците обикновено търсят гледка от нищото, самостоятелно описание на природата. Те искат да знаят как работи светът и как наблюдатели като нас се появяват като части от света. Но докато физиците започват да разбират затворените вселени като частни граници около частни наблюдатели, тази гледна точка от нищото изглежда все по-малко жизнеспособна. Може би гледките отнякъде са всичко, което някога можем да имаме.
