Crne rupe, kvantna gravitacija i nova fizika: je li naš trodimenzionalni svemir samo privid dublje, dvodimenzionalne stvarnosti?
U srcu jednadžbi koje oblikuju naše razumijevanje svemira krije se ideja toliko radikalna da bi mogla preokrenuti sve što znamo o prostoru, vremenu i gravitaciji. Neki fizičari tvrde da živimo u svojevrsnoj iluziji — da je naš svemir, sa svom svojom trodimenzionalnom složenošću, zapravo dvodimenzionalna projekcija, nalik hologramu.
Što su crne rupe otkrile?
Paradoks započinje na rubovima gravitacijskih objekata poznatih kao crne rupe. Prema klasičnoj fizici, sve što padne u crnu rupu zauvijek nestaje iza horizonta događaja. Informacije o tim objektima — njihova masa, naboj, spin, kemijski sastav — jednostavno se brišu iz svemira.
No 1970-ih, Stephen Hawking pokazao je da crne rupe ipak zrače. To tzv. Hawkingovo zračenje ne nastaje iznutra, nego kao kvantni učinak na samom rubu — i uzrokuje polagano isparavanje crnih rupa. No upravo je to otvorilo zastrašujući problem: to zračenje ne nosi nikakvu informaciju o onome što je nestalo. Kada crna rupa ispari, informacija je zauvijek izgubljena.
To je protivno osnovnim zakonima kvantne mehanike, koji zahtijevaju očuvanje informacija. Fizičari su desetljećima pokušavali riješiti tu proturječnost. Gdje odlaze informacije kad se crna rupa raspadne? Ako su zauvijek izgubljene, tada kvantna fizika mora biti pogrešna — ili nedovoljna.
Površina zna više od unutrašnjosti
Jedan od ključnih tragova dolazi iz koncepta entropije — mjere nereda u sustavu. Kod običnih objekata, entropija raste s volumenom. No kod crnih rupa ona je proporcionalna njihovoj površini. To je bilo šokantno otkriće. U praksi to znači da se količina informacija koju crna rupa može sadržavati ne mjeri po njenoj unutrašnjosti, već po površini horizonta događaja.
Taj paradoks potaknuo je fizičare da preispitaju temeljne pretpostavke o prostoru i dimenzijama. Je li moguće da se stvarna informacija o svemiru ne nalazi unutar prostora, nego na njegovim granicama?
To je ideja koja je dobila ime holografski princip — tvrdnja da se svi fizički zakoni u određenom volumenu prostora mogu opisati preko zakona definiranih na njegovoj površini. Analogno stvarnim hologramima, gdje dvodimenzionalna ploča nosi sve informacije potrebne za stvaranje dojma trodimenzionalnosti.
Maldacena i AdS/CFT korespondencija
Godine 1997., fizičar Juan Maldacena formulirao je matematički model koji je tom principu dao konkretan oblik. Predložio je tzv. AdS/CFT korespondenciju — teoriju koja povezuje gravitaciju u petodimenzionalnom prostoru (poznatom kao anti-de Sitterov prostor) s kvantnom teorijom polja bez gravitacije na njegovoj četverodimenzionalnoj granici.
To je značilo da se nerješivi problemi kvantne gravitacije u višedimenzionalnom svemiru mogu prevesti u rješive jednadžbe na njegovoj “plohi”. Umjesto da se pokušava modelirati gravitaciju iznutra, rješenje se može pronaći promatrajući rub tog prostora.
Teorija je potresla temelje teoretske fizike. Jer ako takva korespondencija vrijedi — i ako se analogija može prenijeti na naš svemir — tada sve što znamo o prostoru i vremenu možda nije ono što mislimo da jest. Možda prostorvrijeme uopće nije osnovni entitet, već posljedica kvantnih procesa na nekoj dubljoj, dvodimenzionalnoj razini.
Je li prostorvrijeme emergentna pojava?
Daljnja istraživanja sugeriraju da bi gravitacija — onakva kakvu je opisao Einstein — mogla biti “emergentna pojava”. Drugim riječima, nije temeljna sila, nego rezultat kvantnih interakcija koje se odvijaju na rubovima prostora.
Ako je to točno, tada su prostor i vrijeme — pa i samo postojanje gravitacije — privid koji nastaje iz kompleksnih kvantnih procesa. Naš svemir bi bio trodimenzionalan samo naizgled. U stvarnosti, sve bi moglo postojati na dvodimenzionalnoj površini izvan naše percepcije.
Ali postoji veliki problem
Unatoč fascinantnosti holografskog principa, postoje ozbiljna ograničenja. AdS/CFT korespondencija, iako elegantna, još nije dokazana. Ona se odnosi na idealizirani svemir koji ne nalikuje našem: svemir iz Maldacenine teorije je prazan, ima pet prostornih dimenzija i zatvoren je. Naš svemir ima tri prostorne dimenzije, nije prazan, ne zatvara se sam u sebe i ubrzano se širi.
Štoviše, naš svemir nema jasnu granicu — a bez granice, cijela ideja da se informacije pohranjuju “na površini” gubi smisao.
Drugi problem je što većina teorija koje opisuju stvarne pojave u svemiru nisu konformne teorije polja. A to je osnova CFT komponente Maldacenine korespondencije. Nema jamstva da bi taj model mogao objasniti stvarne crne rupe, kamoli sve ostalo.
Konačno, čak ni kod crnih rupa nije jasno funkcionira li holografski princip u praksi. Hawkingovo zračenje koje izlazi iz crnih rupa ne nosi prepoznatljive informacije o onome što je ušlo. Iako entropija crne rupe ovisi o površini, kod običnih objekata entropija raste s volumenom. Ako stavimo informacije u vas, recimo, vaš kapacitet ne raste proporcionalno s vašom površinom.
Je li sve ovo samo matematička iluzija?
Fizičari često koriste apstraktne trikove kako bi riješili probleme. Neke procese mapiraju u imaginarne dimenzije. Neke prikazuju obrnutim tijekom vremena. Neki problemi se prebacuju iz jednog sustava u drugi, jednostavno zato što je tamo lakše računati.
To ne znači da su te transformacije doslovni opisi stvarnosti. Možda je i holografski princip samo to — moćan matematički alat, ali ne i fizički zakon.
S druge strane, i teorija relativnosti nekoć je bila samo apstraktan model. Danas opisuje svemir točnije nego bilo koja druga teorija. U znanosti, granica između “računske tehnike” i “stvarnosti” često se briše.
Ako se jednog dana pokaže da holografski princip vrijedi i u našem svemiru, i da doista možemo svu njegovu složenost svesti na rubnu dvodimenzionalnu strukturu, tada ćemo morati priznati da živimo u mnogo čudnijem svemiru nego što smo ikad zamišljali.
Možda živimo u hologramu. Ili možda samo koristimo holografsku matematiku da bolje razumijemo ono što nas okružuje. U svakom slučaju, granica između percepcije i stvarnosti možda nije tako čvrsta kako smo mislili.
🔵 Pridružite se razgovoru!
Imate nešto za podijeliti ili raspraviti? Povežite se s nama na Facebooku i pridružite se zajednici znatiželjnih istraživača u našem Telegram kanalu. Za najnovija otkrića i uvide, pratite nas i na Google Vijestima.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
