Генетический Код Вселенной
Если бы всё, причастное жизни, умирало, а умерев, оставалось бы мёртвым и вновь не оживало, разве не совершенно ясно, что в конце концов все стало бы мертво и жизнь бы исчезла?
Платон
Рассмотрим три важнейших физических закона сохранения: массы, энергии и информации и покажем, что их нельзя назвать универсальными применительно к Вселенной в целом.
Закон сохранения массы постулирует, что масса физического тела во всех происходящих процессах остаётся неизменной. Согласно этому закону, новые вещества не получаются из ничего и не могут обратиться в ничто. Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. При этом число атомов до и после химической реакции остаётся неизменным. В результате химической реакции они переходят из одного вещества в другое.
В квантовом мире закон сохранения массы не выполняется. Наблюдая за радиоактивным распадом, реакциями деления или синтеза ядер, можно заметить, что итоговая масса оказывается меньше начальной в количестве, равном освобождённой энергии.
Чтобы объяснить нарушение закона сохранения массы, по аналогии с ним был сформулирован один из главнейших фундаментальных законов природы – закон сохранения энергии. Он утверждает, что энергия не возникает из ниоткуда и не может исчезнуть в никуда. При любых процессах энергия изолированной системы постоянна и сохраняется во времени. Формально нет никаких доказательств, что энергия не может возникать и исчезать, но в науке этот закон считается незыблемым.
В 1915 г. немецкий математик Эмми Нётер обнаружила, что основой каждого закона сохранения является фундаментальная симметрия природы. Закон сохранения энергии является следствием однородности времени, и там, где время неоднородно, закон сохранения энергии не выполняется. Однородность времени состоит в том, что физические явления протекают одинаково в разное время их наблюдения.
В ОТО, ввиду неоднородности времени (неравномерности хода), зависящей от неравномерности распределения энергии в различных областях пространства, закон сохранения энергии не выполняется и может быть выражен только локально.
Утрачивает закон сохранения энергии свою абсолютную непогрешимость и в квантовой физике. Принцип неопределённости позволяет энергии исчезать и появляться при условии, что на рассматриваемых отрезках времени соблюдается соотношение энергия-время t ≈ ħ / E.
Не работает закон сохранения энергии и в чёрных дырах, поскольку существующая теория чёрных дыр ему противоречит[76].
Рассматривая планковскую эпоху в эволюции Вселенной, которая продолжалась от 0 до 10–43 секунды, можно констатировать, что там не работал не только закон сохранения энергии, но и все известные физические законы. Это наводит на размышления о неполноте физических теорий по причине нашего незнания свойств пространства-времени. Из-за квантовых эффектов, предсказываемых ОТО, геометрия пространства-времени в указанной зоне становится непонятной.
Космологическая теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная возникла из сингулярности путём инфляции – колоссального расширения, которое привело к экспоненциальному увеличению всех пространственных масштабов. Сингулярное состояние характеризовалось бесконечной температурой и плотностью, сверхсжатой в безразмерную точку, и кривизной пространства-времени с неопределённо большой величиной. Такой вывод следует из уравнений Эйнштейна, описывающих динамику Вселенной в её начальный момент существования.
Общепринято, что для стандартной фридмановской модели Вселенной момент математической сингулярности находится в точке ≈10–43 секунды от начала образования Вселенной. Специалист в области физики и астрономии Ф. А. Цицин в сборнике РАН, посвящённому философскому анализу проблем современной астрономии, оспаривает данное утверждение: «…откуда мы знаем, что на временной шкале сингулярность "начала Вселенной" находится в точке 10–43 секунды в прошлое от того момента, когда суверенизируются ОТО и квантовая механика? Откуда вообще берётся это пресловутое 10–43 секунды? Ответ прост: мы находим (вычисляем) этот момент (находящийся в планковской эпохе эволюции Вселенной, когда ОТО неприложима), предположив неявно, что она там приложима!.. Излишне доказывать, что этот "метод" локализации сингулярности трогательно наивен, хотя и не столь уж редко встречается в науке… Естественно, получаемая таким хитрым способом количественная оценка длительности "планковской эпохи" эволюции Вселенной, знаменитое 10–43 секунды, не имеет ни малейшего смысла (что, разумеется, никак не дискредитирует эту величину как планковский "квант времени", полученный из теории размерности)»[77].
Появление Вселенной из ничего путём Большого взрыва больше соответствует Библейской концепции сотворения мира, нежели строгой научной теории. Профессор Стэнфордского университета в США А. Д. Линде рассматривал происхождения Вселенной как одну из главных проблем в космологии: «Один из наиболее мучительных вопросов, стоящих перед космологами, состоит в том, было ли что-нибудь до момента t = 0, и если нет, то как и откуда возникла Вселенная? Рождение и смерть Вселенной, подобно рождению и смерти человека, является одной из волнующих проблем, стоящих не только перед космологией, но и перед современным естествознанием»[78].
Возникает естественный вопрос: если Большой взрыв полностью исключает применимость научных методов для описания Вселенной вплоть до 10–43 секунды от начала её образования, в состоянии ли наука объяснить происхождение Вселенной?
Физики-теоретики выдвигают различные теории, позволяющие избежать сингулярности при образовании Вселенной. Но ни одна из них, в отличие от теории Большого взрыва, которая базируются в основном на фактическом материале, не имеет сколь-нибудь убедительных аргументов в свою пользу. Это, как правило, чисто умозрительные конструкции, в основу которых положены некоторые предположения.
Так, петлевая квантовая теория наделяет пространство дискретностью (см. «Квантовый мир и движение») образованной из одномерных элементов планковской величины. Такое представление пространства позволило американским учёным из Университета штата Пенсильвания с помощью математического аппарата описать неоднородности реликтового космического излучения, возникшего непосредственно после зарождения Вселенной. Авторы полагают, что их результаты подтверждают гипотезу Большого отскока, согласно которой возникновение нашей Вселенной стало результатом распада предыдущей Вселенной[79].
С законом сохранения информации тесно связана энтропия, устанавливающая связь между макро- и микросостоянием объектов. Особенность данной характеристики в том, что это единственная в физике функция, показывающая направленность процессов.
Рассмотрим некоторые её свойства.
С физической точки зрения энтропия характеризует степень необратимости реального термодинамического процесса. Согласно закону возрастания энтропии, самопроизвольно могут протекать только такие процессы, при которых энтропия или увеличивается (необратимые) или остаётся постоянной (обратимые). Процессы, при которых энтропия самопроизвольно уменьшается, термодинамически невозможны.
В противовес физическим законам, для которых характерна Т-симметрия, термодинамическая стрела времени всегда направлена из настоящего в будущее и указывает направление, в котором возрастает беспорядок (энтропия). Это убедительно демонстрирует часто используемый журналистами пример: осколки разбитого стакана самопроизвольно никогда не собираются в целый стакан.
В силу симметричности во времени законов Ньютона, ничто не мешает стакану собраться из осколков. Падая со стола, полученная стаканом энергия в процессе падения, переходит в тепло. После удара стакана о пол, атомы в полу и в осколках начнут хаотически двигаться быстрее, чем до удара, поэтому осколки стакана будут иметь большую температуру, чем целый стакан.
В соответствии с законом сохранения энергии эта тепловая энергия равна энергии, потерянной стаканом при его падении со стола. Приобретённой осколками тепловой энергии достаточно, чтобы собрать стакан и поставить обратно на стол. Поскольку все физические законы симметричны во времени и пространстве, они не накладывают запрет на процесс самосборки стакана из осколков стекла.
Причина в том, что тепловое движение атомов в осколках стекла полностью беспорядочное. Чтобы восстановить стакан и поставить на стол, нужно в точности воспроизвести движение каждого отдельного атома и получить упорядоченное результирующее движение, что невыполнимо. Второе начало термодинамики утверждает, что произошёл необратимый процесс. Он привёл к возрастанию энтропии (увеличению беспорядка) и уничтожению информации о первоначальном состоянии объекта. Информация о движении атомов от начала падения стакана со стола и до его падения на пол и превращения в осколки нигде не сохранилась.
Согласно современным научным представлениям, в пределах наблюдаемого мира происходит эволюция в сторону усложнения, и процессы образования структур глобально преобладают над процессами их разрушения, что противоречит закону возрастания энтропии. Чтобы разобраться, почему в природе преобладают созидательные процессы над процессами разрушения, рассмотрим по отдельности тепловую энтропию и полную.
В определении тепловой энтропии Клаузиуса превращение тепла в другие формы энергии сопровождается уменьшением тепловой энтропии. Это выражает следующая формула:
dS = dQ / T.
Разница в энтропии двух состояний термодинамической системы (dS) равна отношению количества тепла, затраченного на то, чтобы изменить первоначальное состояние (dQ) к температуре (T), при которой проходит изменение состояния.
Чтобы, например, узнать, как изменилась энтропия в процессе таяния льда, нам нужно поделить количество тепла, зависящее от массы льда, на температуру его плавления (0°С = 273,15°К). Отсчёт должен идти от абсолютного нуля по Кельвину (–273,15°С), поскольку энтропия любого вещества при этой температуре равна нулю. Так как обе величины положительны, выполнив расчёт, мы увидим, что энтропии стало больше. Если провести обратную операцию – заморозить воду (забрать у неё тепло), величина dQ будет отрицательной, и энтропии станет меньше.
С физической точки зрения процесс таяния льда на молекулярном уровне выглядит следующим образом. Согласно молекулярно-кинетической теории, температура характеризует скорость движения молекул физического тела. Чем больше скорость молекул, тем выше температура тела. Молекулы воздуха имеют большую скорость и движутся быстрее холодных молекул воды во льду. При соударении с молекулами воды, расположенными на поверхности льда, молекулы воздуха теряют скорость, а молекулы воды ускоряются. Тепло от воздуха переходит ко льду, температура льда повышается, и он начинает таять.
С информационной точки зрения, рассматривая энтропию как неопределённость или меру беспорядка системы, можно сказать: с увеличением температуры воды во льду возрастёт скорость движения её молекул, и наше неведение о величине скорости молекул повысится, что соответствует возрастанию энтропии.
С возрастанием энтропии непосредственно связан парадокс, сформулированный в 1852 г. физиком Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) и названный им гипотезой тепловой смерти Вселенной. Подробный анализ этой гипотезы выполнил немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус, распространивший закон возрастания энтропии на всю Вселенную.
Вселенная, как адиабатически изолированная термодинамическая система, не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты. Учитывая возраст Вселенной, согласно закону возрастания энтропии она должна прийти в состояние термодинамического равновесия, достигнув максимума энтропии. Но подобное явление в окружающей нас Вселенной не наблюдается.
Австрийский физик-теоретик Людвиг Больцман показал, что и в состоянии термодинамического равновесия могут наблюдаться флуктуации термодинамических параметров. Предположив, что наблюдаемая Вселенная является следствием такой флуктуации, снимаются противоречия парадокса тепловой смерти Вселенной.
Но, как отметил Ф. А. Цицин, «последовательное развитие идей Больцмана ведёт нас к весьма неожиданным следствиям. Так, связь между вероятностью состояния W системы и её энтропией S оказывается, вопреки стандартной трактовке знаменитой формулы Больцмана (S = k · lnW), не функциональной, а статистической; и сама эта формула строго справедлива лишь в полном пренебрежении флуктуациями! Далее, состояния термодинамического и статистического равновесия различаются не пренебрежимо мало (и тем более не тождественны), а макроскопически существенно (эффект равновесных флуктуаций)…»[80].
Согласно стандартной космологической модели, момент образования Вселенной характеризовался бесконечной температурой и плотностью. Известно, что при бесконечной плотности энтропия как мера хаоса стремится к нулю, в то время как при бесконечной температуре она стремится к бесконечности. Второй закон термодинамики для начала образования Вселенной становится неопределённым.
По общепринятым в космологии воззрениям, наблюдаемая Вселенная в процессе её расширения после Большого взрыва постоянно охлаждается. Так как общее количество тепла в ней при этом уменьшается, согласно определению энтропии Клаузиуса, уменьшается и тепловая энтропия.
В некоторых локальных процессах закон возрастания тепловой энтропии также не соблюдается. Например, при расширении идеального газа при постоянной температуре с совершением работы или при ускорении с охлаждением потока газа в сужающейся трубе.
Если рассматривать полную энтропию, её трактовка как меры беспорядка для отдельно взятого распределения полностью справедлива. Полная энтропия материальной системы с фиксированным числом переменных тем больше, чем меньше упорядочено описывающее её распределение, чем оно проще по форме. Для реальной системы это интегральная характеристика ширины всего множества распределений. Как в конкретном случае поведёт себя всё это множество, состоящее из постоянно изменяющегося разнообразия переменных и распределений по ним, определить невозможно. Из-за неимоверной сложности расчёта вычисление полной энтропии реальных систем на практике неосуществимо.
В процессе эволюции Вселенной множество переменных постоянно росло. Появление органической материи и социального мира образовало новое бесчисленное множество переменных и распределений по ним. Это говорит о том, что у закона возрастания полной энтропии отсутствует необходимая эмпирическая база и нельзя с абсолютной уверенностью утверждать, что этот закон является всеобщим и применим для всей Вселенной.
Независимо друг от друга, заявили вслух об ошибочности трактовки энтропии как меры беспорядка профессор Ю. П. Петров (1970), член Лондонского королевского общества Кеннет Денби (1985) и кандидат физико-математических наук С. Д. Хайтун, автор материала, который мы частично использовали для демонстрации несоблюдения второго начала термодинамики[81].
Второе начало термодинамики – основа физической химии и техники. Но поскольку этот закон одновременно затрагивает как термодинамические, так и информационные процессы, применять его формально ко всем без исключения динамическим структурам не следует. Например, при биосинтезе веществ и фотосинтезе растений в живых организмах происходят процессы, невозможные с термодинамической точки зрения. Но здесь следует принимать во внимание, что любой живой организм – это открытая, или, если говорить более точно, условно замкнутая система, которая постоянно обменивается энергией и информацией с внешней средой.
Энтропия может быть приложима и к биологическим системам, если предположить, что у них энергетический обмен позволяет обходить энтропийный термодинамический критерий. Это может быть объяснено механизмом так называемого энергетического сопряжения. Суть его в том, что возможная с точки зрения энтропийного критерия реакция сопрягается с реакцией термодинамически невозможной и даёт для неё энергию[82].
Основатель крупнейшей биофизической школы Л. А. Блюменфельд на основании расчёта продемонстрировал, что, согласно физическим критериям, любая биологическая система упорядочена не больше, чем кусок горной породы того же веса. Упорядоченность человеческого организма можно оценить приблизительно в 300 энтропийных единиц – настолько меняется энтропия 170 грамм воды при её испарении.[83].
Как видим, к системам определённой динамической структуры второе начало термодинамики может оказаться неприменимым.
Вернёмся к нашему стакану, но для большей наглядности на примере архитектурного сооружения попытаемся выяснить, где хранится информация о форме физических тел и что с ней происходит после их разрушения.
Разобрав построенное по архитектурным чертежам здание на «элементарные» кирпичи, мы увидим, что вся информация о его форме и объёме исчезла. Ни количество кирпичей и их форма, ни внутренний состав и строение кирпича, ни свойства раствора, связывающего кирпичи, не содержат практически никакой информации о первоначальном виде разрушенного здания. Как оказалось, форму и объём здания определяла информация, расположенная на его двухмерной поверхности. Полностью разрушив поверхность, мы уничтожили информацию не только о внешнем виде здания, но и о его объёме.
Разрушенное здание можно полностью восстановить, причём не только из старых кирпичей, но и из новых и необязательно прежних размеров и формы, при условии, что известен его код происхождения – проект здания. Здесь мы обращаем особое внимание на то, что информация о форме и объёме физического тела – это реальная информация, и её можно скопировать, например, создав голограмму или другими известными способами.
Имея полную информацию о поверхности тела, можно определить его объём при условии, что поверхность замкнута (непрерывна). Например, зная окружность шара, легко вычислить его объём. Одна из особенностей поверхности шара (сферы) в том, что у неё наименьшая площадь из всех поверхностей, ограничивающих данный объём, и это имеет строгое доказательство. Следствие этого – при слиянии двух тел сферической формы суммарная площадь их поверхности всегда возрастает.
В общем виде любое пространственное тело ограничено множеством поверхностей, и чтобы определить его объём, нужно вычислить тройной интеграл. Смысл интегрирования состоит в том, что произведение dx · dy · dz (длина × ширину × высоту) равно бесконечно малому объёму dV элементарной части тела.
Парадоксальным объектом в этом плане является бутылка Клейна, впервые описанная немецким математиком Феликсом Клейном в 1882 г. Бутылка Клейна – это определённая неориентируемая поверхность (двухмерное разнообразие) первого рода, у которой нет различия между внутренней и внешней сторонами. Попасть с внешней стороны на внутреннюю можно не проходя сквозь поверхность, поэтому в пространстве она ограничивает собой нулевой объём.
Бутылку Клейна можно погрузить в трёхмерное евклидово пространство N = 3, но она не может существовать в нём, однако вкладывается в пространство N = 4. Из этого следует, что в трёхмерном пространстве невозможно построить абсолютно правильную бутылку Клейна без пересечения поверхностей, но в четырёхмерном измерении это возможно.
Как было показано, информация об объёме физического тела хранится на его поверхности. В 1993 г. голландский физик-теоретик Герард 'т Хоофт, применив голографический принцип, продемонстрировал, что на поверхности тела можно сохранить информацию, заключённую в его объёме, и таким образом попытаться разрешить парадокс чёрной дыры.
Парадокс состоит в следующем. Если применить к чёрной дыре одновременно ОТО и квантовую теорию, окажется, что чёрная дыра уничтожает информацию, содержащуюся в материи, а это несовместимо с законами квантовой механики. Решения этого парадокса в настоящее время нет. Предполагается, что для его разрешения возможны два варианта:
а) информация полностью уничтожается при испарении чёрной дыры, а значит, с этим процессом связаны новые физические законы;
б) испускаемое излучение (излучение Хокинга) каким-то образом содержит в себе эту информацию, следовательно, оно представляет собой нечто большее, чем известно науке[84].
Было обнаружено, что спектр излучения чёрной дыры для безмассовых полей строго совпадает с излучением абсолютно чёрного тела. Это позволило применить весь аппарат термодинамики к чёрной дыре, положив, что сила гравитации играет роль температуры, а площадь поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии. Такой подход указывал на то, что чёрная дыра должна иметь конечную температуру и излучать энергию. Предположив, что чёрная дыра подчиняется законам термодинамики, английский физик-теоретик Стивен Хокинг показал, что её излучение возникает за счёт квантовых эффектов вакуума.
Во время квантового излучения чёрной дыры появляются различные частицы, например фотоны, электроны или нейтральные пи-мезоны. На состав излучения оказывает влияние размер чёрной дыры, но во всех случаях излучение абсолютно не зависит от природы ею поглощённого тела. И если чёрная дыра подчиняется законам термодинамики, в ней будет исчезать информация.
При падении в чёрную дыру квантовой системы, находящейся в чистом состоянии, и после её испарения чёрная дыра возвращается в исходное состояние. Так как сама чёрная дыра не изменилась, произошло преобразование исходного чистого состояния в смешанное. Такое преобразование неунитарно, в то время как вся квантовая механика построена на унитарных преобразованиях, при которых сохраняется состояние системы (например, длина вектора состояния)[85].
В соответствии с квантовой теорией, виртуальные пары частица-античастица появляются в вакууме постоянно. При этом в каждой виртуальной паре одна из частиц наделена положительной энергией, а другая – отрицательной. При поляризации вакуума гравитационным полем образуются как виртуальные, так и реальные пары частица-античастица. Когда такая пара рождается вблизи горизонта чёрной дыры, одна из частиц может попасть внутрь области, ограниченной горизонтом событий, а другая оказаться снаружи. Если внешняя частица сможет уйти от чёрной дыры, она унесёт с собой часть её энергии. Согласно закону сохранения энергии, за счёт ушедшего излучения чёрная дыра потеряет некоторую часть энергии и уменьшится в размерах. В конце концов, непрерывно теряя энергию, она полностью исчезнет.
В уходящих частицах нет информации о том, что поглотила чёрная дыра, поскольку в температурном излучении отсутствует источник излучения. Предположив, что информация как-то ускользает от чёрной дыры, следует допустить, что это происходит со сверхсветовой скоростью, нарушая принцип локальности. Принцип локальности утверждает, что информация не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света, поскольку по законам теории относительности сверхсветовой обмен сигналами допускает отправление сообщений в прошлое.
По мнению специалиста по квантовой теории из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Стивена Гиддингса, «в настоящее время часть научного сообщества пришла к мнению, что для описания явлений, происходящих не только глубоко внутри чёрной дыры, но и за горизонтом, необходимы некоторые изменения в существующих законах физики»[86].
Известно, что энергия электромагнитных волн (фотонов) прямо пропорциональна их частоте. При этом у фотона инфракрасного света энергия меньше, чем у фотона ультрафиолетового излучения. Если инфракрасный свет распространяется в гравитационном поле, он должен преодолеть гравитационное притяжение. В этом случае электромагнитная волна будет совершать работу и, соответственно, терять энергию, что приводит к снижению её частоты.
Особенность чёрной дыры в том, что у неё есть горизонт событий – поверхность, с которой любое излучение испытывает бесконечное снижение частоты (бесконечное инфракрасное смещение). И если источник электромагнитных волн находится непосредственно на горизонте событий, он не будет излучать энергию. Следовательно, создаваемое им поле для наблюдателя будет неизменным во времени. Это указывает на то, что информация не уходит из чёрной дыры. Она также не может попасть в излучение Хокинга, поскольку в таком случае должно произойти копирование содержимого внутри дыры, а это запрещает квантовая теория.
Чёрные дыры устроены так, что они создают исключительно стационарные поля, даже если они вращаются вокруг своей оси при условии, что их центр масс покоится. Создаваемые ими гравитационные и электромагнитные поля не меняются во времени. Это утверждение называется теоремой об отсутствии волос у чёрной дыры[87].
Предположив, что из-за процессов квантовой природы чёрная дыра спонтанно испускает тепловое излучение, Хокинг показал, что энтропия чёрной дыры равна четверти от площади горизонта событий, выраженной в планковских единицах (планковская единица площади равна квадрату длины Планка). Даже по термодинамическим представлениям это огромная величина. Энтропия чёрной дыры диаметром 1 см составляет около 1066 бит, что примерно равно термодинамической энтропии водяного куба с ребром в 10 миллиардов километров[88].
В 1971 г. Стивен Хокинг доказал, что при слиянии чёрных дыр суммарная площадь горизонта событий не уменьшается. Это было экспериментально подтверждено в 2020 г. исследователями из Массачусетского технологического института и других научных организаций.
Аналогия между растущей площадью чёрной дыры и тенденцией энтропии неуклонно возрастать привела израильского физика-теоретика Якоба Бекенштейна к необычной идее: энтропия чёрной дыры (её информационное содержимое) пропорциональна площади поверхности горизонта событий. Исследуя энтропию как меру информационной ёмкости, Бекенштейн пришёл к выводу: информация, необходимая для описания любого объекта, ограничена его внешней поверхностью. Такое заключение позволило установить верхний предел энтропии (информационной ёмкости), которая может храниться в заданной ограниченной области пространства, обладающего конечным количеством энергии (граница Бекенштейна). Израильский учёный наметил путь для объединения физического понятия энергии и геометрии пространства с информацией.
Герард 'т Хоофт, опираясь на труды Бекенштейна, показал, что вся информация, заключённая в трёхмерном объекте, может быть сохранена в двухмерных границах, остающихся после его уничтожения, подобно тому, как изображение трёхмерного объекта можно поместить и сохранить в двухмерной голограмме.
Суть голографической идеи 'т Хоофта состоит в том, что физика трёхмерного содержимого чёрной дыры, в которой присутствует гравитация, путём трансформации превращается в физику над двухмерным горизонтом, где она уже описывается уравнениями без гравитации.
В основу идеи были положены два принципа.
Во-первых 'т Хоофт продемонстрировал, что вся информация, содержащаяся в некоторой произвольной области пространства, может быть представлена в виде голограммы и располагаться на границе этой области. Применительно ко всей Вселенной, если перевести данную концепцию на общепонятный язык, весь наш мир и мы сами – не что иное, как двухмерная голограмма.
Во-вторых, структуру пространства-времени следует считать состоящей из элементарных неделимых единиц, с линейным размером в планковскую длину. Дискретность пространства не позволяет беспредельно увеличивать масштаб изображения Вселенной, что накладывает ограничения на её изучение. При достижении планковского значения масштаба голографическая Вселенная станет похожей на цифровое изображение плохого качества.
Американский физик, профессор Тель-Авивского и Стэнфордского университетов Леонард Зюскинд развил голографический принцип 'т Хоофта и показал, что конечная информационная ёмкость (энтропия) любой системы зависит не от её объёма, а от площади поверхности, ограничивающей эту систему. Максимальное информационное содержание любой области пространства определяется не её объёмом, а площадью поверхности, ограничивающей объём. На бытовом уровне это примерно соответствует утверждению, что всю без исключения информацию о том, что находится в комнате, включая и людей, можно расположить на её внешней поверхности – потолке, стенах и полу.
Экстравагантные идеи 'т Хоофта вначале большинство физиков не воспринимали всерьёз. Но поскольку концепция голографического принципа применима к пространству-времени любой размерности, она оказалась чрезвычайно удобной для теории струн. Исследования в разных областях физики также показали, что идея Вселенной как голограммы имеет определённый смысл.
В 1997 г. физик-теоретик Хуан Малдасена сформулировал гипотезу голографической дуальности или AdS/CFT-соответствие, которое в последствии было многократно и различными способами проверено.
AdS означает «антидесситоровское пространство» – частное решение уравнений Эйнштейна, описывающее абсолютно пустую Вселенную с отрицательной кривизной пространства. В такой Вселенной нет вещества и энергии, а параллельные линии расходятся. Другой стороной этого соответствия является система, известная как конформная теория поля (conformal field theory, CFT). Это квантовая теория поля, инвариантная (неизменная) относительно конформных преобразований – непрерывного отображения из одного пространства в другое, сохраняющего углы между кривыми, следовательно, и форму бесконечно малых фигур.
AdS/CFT-соответствие показывает, что при определённых условиях теория струн эквивалентна квантовой теории поля без гравитации и в меньшем количестве измерений. Используя голографический приём, AdS/CFT-соответствие позволяет исключить гравитацию и упростить невероятно сложный математический аппарат струнной теории. Решив определённые задачи, можно попытаться перенести полученный результат в трёхмерную Вселенную и таким образом получить один из возможных способов разрешения проблемы квантовой гравитации.
Но при переходе от антидеситтеровской Вселенной к более простой пограничной модели, где применима конформная теория поля, новые уравнения разрешимы только в принципе. Они могут остаться такими же безмерно сложными для решения. К тому же мы не живём во Вселенной с антидесситоровским пространством. В реальной Вселенной космологический горизонт постоянно изменяется, и как голографический принцип можно совместить с расширяющейся Вселенной – непонятно[89].
Несмотря на это, AdS/CFT-соответствие работает, почему – никто не знает. Поскольку реализация голографического принципа в AdS/CFT-соответствии вселяет оптимизм в возможность объединения гравитации и квантовой механики, многие теоретики приходят к мысли, что для создания теории всего необходимо пересмотреть взгляды на природу в информационном направлении.