Jak se teoretická fyzika noří hlouběji do fundamentální povahy reality, musíme se potýkat s otázkami, které nám zanechává. Někteří fyzici například tvrdí, že náš vesmír je prostě iluze, produkt kvantových machinací vyskytujících se v prostředí nižších dimenzí; jinými slovy, hologram. Nabízejí však tyto nejnovější teoretické myšlenky odhalení o realitě samotné, nebo pouze slouží jako matematické pomůcky, které nám pomohou vyřešit ožehavé problémy? Pokud jde o nejinovativnější fyzikální teorie, co je produktem naší představivosti a co produktem vesmíru? Důkazem mohou být černé díry.
Problém začal s těmi otravnými strašidly vesmíru, černými dírami. Zvenčí (pozorní čtenáři budou později odměněni tím, že si uvědomí, že jde o slovní hříčku) jsou černé díry jednoduché: věci tam spadnou, a nikdy nevyjdou... Všechny informace o těchto věcech jsou uloženy za horizontem událostí a už je nikdy neuvidíme. Ale v 70. letech 20. století si slavný astrofyzik Stephen Hawking uvědomil, že černé díry nejsou úplně černé. Jsou trochu šedé a poněkud děravé a vyzařují malé množství záření, které způsobuje, že se černé díry pomalu, ale nevyhnutelně vypařují. Jejich záření však s sebou nenese žádnou informaci, což představuje nepříjemný paradox: informace proniknou dovnitř, ale nevyjdou ven, a pak černá díra zmizí. Co se tedy stalo se všemi informacemi...?
Důležitá stopa přišla v desetiletích následujících po Hawkingově mimořádném objevu. Jedním ze způsobů, jak měřit množství informací, je entropie - termodynamický koncept, který volně souvisí s množstvím neuspořádanosti v systému. Černé díry mají překvapivou vlastnost: Jejich entropie je úměrná jejich povrchu, nikoli jeho objemu. Jinými slovy, množství informací v černé díře souvisí s jejím dvourozměrným povrchem, nikoli s trojrozměrným objemem. To je velmi odlišné od jakéhokoli jiného objektu v celém vesmíru.
Přirozeně se náhle mnoho fyziků začalo velmi zajímat o černé díry, přičemž špičkoví fyzici jako Leonard Susskind zaměřili pozornost na tuto novou zemi holografického principu. Název pochází ze samotné holografie. Už jste někdy viděli hologram a zdálo se, že vám obrázek vyskočí? Hologram totiž zakóduje všechny trojrozměrné informace na dvourozměrném povrchu.
Zdá se tedy, že na černých dírách, kde se jejich informace zdají být zakódovány v jejich dvourozměrných površích, je něco zvláštního. Možná totéž platí pro celý vesmír... Dvourozměrný vesmír? Tato myšlenka není tak přitažená za vlasy, jak se na první pohled zdá, protože bychom dokázali najít praktický příklad holografického principu v akci. Je známý pod poněkud zvláštním názvem korespondence AdS/CFT . Byla vyvinuta v roce 1997 fyzikem Juanem Maldacenou.
Abychom to pochopili, zkonstruujme zvláštní druh vesmíru s některými podivnými vlastnostmi.
1. - tento vesmír má pět prostorových dimenzí.
2. - je zcela bez hmoty a záření.
3. - obsahuje trvalou kosmologickou sílu, která ho naklání dovnitř.
Tento typ časoprostoru se nazývá anti-de Sitter (pětirozměrný) prostor.
Nyní řekněme, že se v tomto vesmíru pokoušíte vyřešit velmi komplikovaný problém, jako je fungování kvantové gravitace. Kvantovou gravitaci se snažíme vyřešit téměř sto let, a přestože zatím nemáme žádné odpovědi, máme sadu nástrojů, o kterých doufáme, že nás jednoho dne k nějaké dovedou. Tato sada nástrojů je známá jako teorie strun.
Maldacena zjistil, že tento problém (problém, jak vyřešit kvantovou gravitaci v tomto podivném vesmíru) můžete přeměnit na úplně jiný problém, který žije ve své čtyřrozměrné hranici. Po provedení této transformace veškerá gravitace zmizí a je nahrazena speciálním typem kvantové teorie známé jako konformní teorie pole (což je CFT část korespondence). Nyní jsme se stali extrémně zběhlými v řešení problémů kvantové teorie pole a máme spoustu dobře otestovaných nástrojů pro práci s tímto druhem matematiky.
Maldacena provedl teoretický fyzikální ekvivalent magického triku: dokázal problém, který nevíme, jak vyřešit (kvantová gravitace s teorií strun) transformovat na takovÝ, který vyřešit můžeme (konformní teorie pole s kvantovými poli)... Je to původ časoprostoru?
A tady se věci opravdu zbláznily. Někteří fyzici tuto myšlenku vyvinuli a rozšířili z pouhého nástroje pro řešení problémů s gravitací vyvolávající bolesti hlavy na vysvětlení gravitace samotné. Tvrdí, že objevili korespondence, ve kterých kvantová povaha všech polí, která žijí na hranicích tohoto časoprostoru, způsobuje, že se v nich objevuje obecná teorie relativity. Obecná teorie relativity je náš popis gravitační síly, kde gravitaci vidíme jako zakřivení a vrásky v prostoru a čase. Jinými slovy, holografický princip nám může říkat, že kvantové interakce, které žijí na okrajích našeho vesmíru, doslova manifestují časoprostor v něm.
Pokud je to správné, pak to, co vnímáme jako trojrozměrný vesmír, plný zajímavých a zábavných objektů, které interagují prostřednictvím gravitace, je ve skutečnosti dvourozměrný povrch plný exotických kvantových šmejdů, ze kterých se vynořuje vše ostatní. To je velké ˝kdyby˝... Navzdory desetiletím práce v tomto směru má holografický princip některé nedostatky. Jeho teoretický favorit, korespondence AdS/CFT, je v této fázi pouze odhadem toho, co by mohlo být pravdivé na základě určitých pozorovaných matematických vztahů.
Ve skutečnosti nikdo neprokázal, že je korespondence pravdivá. Navíc, i kdybychom to udělali, vesmír popsaný v korespondenci není podobný tomu, ve kterém žijeme. Náš vesmír má tři prostorové dimenze, ne pět, a má časovou dimenzi. Není prázdná, ani uzavřená do sebe, spíše je plná hmoty a záření a momentálně je ve fázi zrychlené expanze. A co je nejdůležitější, náš vesmír nemá dobře definované hranice, takže celé zdůvodnění holografického principu je na vodě.
Za druhé, naprostá většina fyzikálních teorií, které se vztahují na skutečné problémy ve vesmíru, rozhodně nejsou konformními teoriemi pole, takže užitečnost korespondence AdS/CFT není zaručena (ačkoli byla v některých zajímavých případech uvedena do praxe) . A i když se povaha informací černých děr zdá být zajímavá, nikdo nebyl schopen úspěšně použít holografický princip k tomu, aby přesně popsal, co se děje se skutečnými černými dírami ve skutečném vesmíru. Nemluvě o tom, že všechny ty podivné entropické věci o černých dírách se netýkají jiných objektů. Když vám například zadám informace, entropie se zvýší úměrně vašemu objemu. Ale co, je to mladý obor... Fyzikům a chemikům trvalo více než století, než se konečně rozhodli, že atomy existují, takže je trochu nespravedlivé spěchat se soudy o nových představách o realitě.
Ale co když se vaše nejdivočejší sny splnily? Co kdybychom našli důvěrné spojení mezi fyzikou našeho trojrozměrného vesmíru a fyzikou na okraji...? Holografický vesmír? Takže, je náš vesmír hologram...? Nebo matematická iluze...?
Důsledky holografické teorie jsou přinejlepším nejasné. Někteří fyzici už ušli celou cestu a tvrdí, že naše realita je iluze, že to, co vnímáme jako prostor, čas a gravitaci, jsou jen projevy hlubší reality, která existuje v menším počtu dimenzí: že náš vesmír je doslova hologram...
Ale matematická řešení fyzikálních teorií nemusí nutně diktovat realitu. Stejně snadno by se dalo namítnout, že pokud se holografický princip ukáže jako užitečný, pak jednoduše objevíme mocný (a dokonce životně důležitý) matematický nástroj pro pochopení našeho vesmíru. To ale neznamená, že to, co nám říká matematika, je skutečné. Fyzici například běžně používají k řešení problémů širokou škálu matematických her. Někdy jsou problémy umístěny ve vyšších nebo nižších dimenzích. Někdy se transformují do říše imaginárních čísel. Někdy přesouváme procesy tam a zpět v čase.
U těchto nástrojů poznáváme, čím jsou: metody řešení náročných problémů, nikoli nové formulace základních složek reality... Na druhou stranu, někdy jsou matematické triky povýšeny a začleněny do našeho chápání fyzického vesmíru. Vezměte si jako příklad obecnou teorii relativity. Před Einsteinovou prací jsme gravitaci chápali jako sílu jako každou jinou, soubor neviditelných vláken, která spojují každý objekt s hmotou. Nyní vidíme gravitaci jako deformace ve struktuře časoprostoru. Pohled, který poskytuje obecná teorie relativity, považujeme za ˝skutečnější˝ než před-Einsteinovská chápání, protože poskytuje větší přesnost a pochopení gravitační síly. Stejně snadno byste ale mohli říci, že je to všechno matematický vynález vyvinutý našimi maličkými lidskými mozky, aby nám pomohl uspořádat a porozumět světu, něco, co je nakonec fikce...
Vesmír ve skutečnosti dělá to, co dělá. Pokud holografický princip skutečně povede k revolučnímu novému pojetí našeho vesmíru, bude nakonec na nás, abychom se rozhodli, zda je naše ˝realita˝, jak ji chápeme, iluzí, nebo zda ji fyzici potřebují přepracovat.
