Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

В середине 1990-х Малдасена был еще новичком. Его репутация стала расти, когда он приехал из Буэнос-Айреса в аспирантуру Принстонского университета и начал работать над теорией струн и физикой черных дыр. Через год после отъезда из Принстона Малдасену вдохновило выступление российского физика Александра Полякова на международной конференции в Амстердаме. Поляков выдвинул предположение, что некоторые аспекты ядерной физики в четырех измерениях можно связать со струнами, двигающимися в пятимерном пространстве-времени. Молодой аргентинец обзавелся блестящими связями и через несколько месяцев произвел фурор в научной среде, опубликовав статью под названием «Предел больших N для суперконформных теорий поля и супергравитации»[82].

Не самое броское название, однако содержание статьи вызвало шок в научном сообществе. В этот момент восходящая звезда Малдасены превратилась в сверхновую. Он открыл голографический мир, в котором одно пространственное измерение было всего лишь иллюзией. Неважно, что этот мир сильно отличался от нашего. Важно, что он был достаточно прост с математической точки зрения и Малдасена мог точно продемонстрировать, как работает иллюзия. Теперь к голографии требовалось относиться всерьез. Открытие этого странного и чисто гипотетического мира стало шагом вперед в нашем понимании пространства и времени на самом фундаментальном уровне.

Мир Малдасены был не похож на все, что вы могли бы себе представить: экзотическая вселенная струн и квантовой гравитации, действующая в десяти измерениях пространства и времени, пять из которых особым образом искривлены, а пять — свернуты, как сфера. Для границы этого пространства-времени Малдасена дал другую теорию — теорию без гравитации, способную описать все, что происходило внутри. Важно то, что он показал, как и почему эти два описания должны быть действительно эквивалентными. Он также научился бегло говорить на обоих языках — «внутреннем» и «граничном» — и с помощью выдающегося американского физика Эдварда Виттена начал составлять «словарь» для них. Конечно, Хоофт и Сасскинд предполагали, что подобные голографические описания должны существовать, но дальше они не пошли. Они не смогли привести какой-нибудь пример и сказать: «Вот Вселенная с гравитацией, вот ее голограмма, а вот словарь, который вам нужен, чтобы перемещаться между ними». А вот Малдасена сумел это сделать. Хотя он знал о более ранних идеях Хоофта и Сасскинда, в центре его внимания находились не они. Теорию Малдасены с голографией связал Эд Виттен.

Эд Виттен — еще один гений, лауреат Филдсовской премии и один из ста самых влиятельных людей мира 2004 года по версии журнала Time. Его отец Луи был физиком-теоретиком, который обсуждал свои исследования с не по годам развитым ребенком, всегда разговаривая с ним как со взрослым. Несмотря на замечательную способность понимать работы отца, Эд в итоге отошел от физики. Он изучал историю в Брандейском университете в Массачусетсе, а затем писал статьи для The Nation и The New Republic в качестве политического обозревателя. Однако физика все же манила его. Поступив в магистратуру Принстонского университета и защитив диссертацию, Виттен впоследствии стал одним из основателей теории струн. «Все расчеты он производит только в уме, — признавалась его жена Кьяра Наппи, тоже физик. — Я заполняю расчетами целые страницы, прежде чем пойму, что делаю. Но Эдвард сядет только для того, чтобы определить знак минус или коэффициент два».

Голографический пример Малдасены известен как АдС/КТП-соответствие. Он демонстрирует двойственность: дает два эквивалентных описания одних и тех же физических явлений. С одной стороны такой двойственности находится мир АдС (сокращение от слова «антидеситтеровский») — искривленный многомерный мир, где в качестве фундаментальной силы присутствует гравитация. С другой стороны находится КТП (конформная теория поля), обнаруживающая особые математические свойства голограммы в пространстве меньшей размерности. С этой стороны двойственности гравитация отсутствует, однако весьма примечательно, что эта теория способна описывать точно такую же физику. Он делает это посредством невесомого вальса заряженных частиц, очень похожих на глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия, склеивающие ядра атомов. Система является поистине голографической: вы можете представлять, что глюоны живут на границе этого пространства-времени, на внешней стене антидеситтеровского пространства.

В своей исходной статье Малдасена привел очень убедительные аргументы в пользу АдС/КТП-соответствия, однако не смог предложить строгого математического доказательства. Но время шло, и ученые раз за разом проверяли его утверждения. Некоторые физические величины можно точно вычислить для обеих сторон соответствия: с одной стороны, используя гравитацию и пространство-время, а с другой — с помощью голограммы. Результаты всегда совпадали, и теперь уже нет сомнений: АдС/КТП-соответствие действительно можно считать конкретным примером голографического принципа в действии. Теперь мы можем вообразить миры — пусть даже искривленные антидеситтеровские, — в которых с помощью голографического трюка легко убрать гравитацию и одно пространственное измерение.

Но как насчет нас? Действительно ли мы существуем внутри голограммы? Этот вопрос гораздо сложнее. Мы живем не в пятимерном антидеситтеровском пространстве, поэтому не можем напрямую апеллировать к магии Малдасены. Однако черные дыры в нашей Вселенной творят забавные вещи. Их энтропия растет пропорционально площади границы, а не объему. Кажется, что информация должна храниться на горизонте событий, а не внутри черной дыры. Как будто наш мир сообщает нам, что он голографичен, но держит эту голограмму в секрете, по крайней мере сейчас. Если у нас есть голограмма, вы ощущаете гравитацию и определенные пространственные измерения из-за странного способа, которым вы декодируете эту голограмму. Оглянитесь. Посмотрите влево и вправо, вперед и назад, вверх и вниз. Если наши голографические ожидания верны, одно из этих измерений может быть упаковано в нечто совершенно иное. В тот момент, когда мы освобождаемся от гравитационных запретов, нам больше незачем говорить о трех измерениях пространства. Нас вполне устроят и два.

Это напоминает мне аллегорию пещеры Платона и прикованных узников внутри нее. За спинами людей горит костер, а они смотрят на тени, появляющиеся на стене. Для них эти тени — всё: их развлечение, их уплощенное восприятие всего существующего. Однако Платон утверждал, что с помощью философии и мышления узники могут освободиться от своих цепей. Они могут видеть больше, чем тени, отбрасываемые куклами. Но сейчас я думаю, что Платон недооценивал тени. В голографическом мире они так же реальны, как и куклы.

Голографический принцип — самая важная идея, возникшая в физике за последние тридцать лет. Она привела к прорыву в нашем понимании силы гравитации, разрешению информационного парадокса черной дыры и глубокому пониманию природы квантовой гравитации. Она помогла нам лучше понять микроскопические объятия кварков и глюонов, когда они соединяются в субатомном мире. Более того, она бросила вызов нашему восприятию реальности, нашему представлению об окружающем нас пространстве. Она побудила нас задаться вопросом, существует ли оно на самом деле