Възможно ли е Вселената, която възприемаме като триизмерна, да бъде описана чрез информация върху двумерна повърхност? Американската физичка Сабрина Пастерски, често наричана от медиите „следващия Айнщайн“, разработва математически модел, който може да помогне за обединяването на две основни теории във физиката - общата теория на относителността и квантовата механика.
Изследванията ѝ са съсредоточени върху концепция, известна като „небесна холография“ (celestial holography). Тя предполага, че физическите процеси в четириизмерното пространство-време могат да имат еквивалентно описание чрез информация, разположена върху двумерна граница.
Това не означава непременно, че Вселената е илюзия или че действително живеем в холограма. Целта е да се установи дали две на пръв поглед различни математически описания могат да представят една и съща физическа реалност, съобщава New Scientist.
Защо учените се опитват да обединят две теории?
Съвременната физика се основава на две изключително успешни, но трудно съвместими теории.
Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн описва гравитацията чрез изкривяването на пространство-времето. Квантовата механика обяснява поведението на елементарните частици и процесите на микроскопично равнище.
Проблемът е, че двете теории използват различни представи за физическата реалност и не могат лесно да бъдат обединени в единна теория за квантовата гравитация.
През 1997 г. физикът Хуан Малдасена предлага математически модел, известен като съответствието AdS/CFT.
Според него физическите процеси в определен вид пространство-време с гравитация могат да бъдат описани чрез квантова теория върху границата на това пространство, която има по-малко измерения.
Така възниква идеята, че Вселената би могла да се разглежда като своеобразна холограма - реалност, чиито свойства могат да бъдат описани чрез информация с по-малък брой измерения.
Моделът обаче има съществено ограничение. Той работи за специфичен вид изкривено пространство-време, което не съответства на геометрията на нашата Вселена.
Именно този проблем се опитва да преодолее Сабрина Пастерски.
Какво представлява небесната холография?
Пастерски започва да разработва математическите основи на небесната холография около 2018 г. по време на докторантурата си в Харвардския университет под ръководството на физика Андрю Строминджър.
В момента тя работи в института Perimeter в Онтарио, Канада.
Нейният подход използва информацията, която се получава при сблъсъци между частици.
При подобен сблъсък частиците се разпръскват в различни посоки. В математическия модел информацията за тяхното движение и енергия може да бъде представена като точки върху въображаема сфера, разположена на безкрайно разстояние.
Тази двумерна сфера се нарича „небесна сфера“.
„Виждаме звездите и си представяме, че са безкрайно далеч, сякаш образуват сфера около нас. Тази двумерна сфера е небесната сфера“, обяснява Пастерски.
Идеята е, че чрез информацията върху тази граница може да се възстанови математическо описание на физическите процеси в пространството.
За разлика от модела на Малдасена, небесната холография е насочена към пространство-време с геометрия, по-близка до използваната при описването на реалните физически процеси.
Но и тук съществува ограничение: моделът разглежда плоско пространство-време, докато действителната Вселена се разширява с ускоряващи се темпове.
Нов напредък в изследванията
През последните години Пастерски разработва математически правила за преобразуване на информацията между двумерната граница и четириизмерното пространство-време.
Първоначално изследванията са насочени към поведението на отделни частици.
Впоследствие тя и Джъстин Кълп от университета „Стоуни Брук“ в Ню Йорк постигат напредък, като показват как подобно описание може да се приложи и към системи с множество частици.
Друго важно направление е квантовото заплитане - явление, при което състоянията на две частици са свързани, дори когато се намират на голямо разстояние една от друга.
При съответствието AdS/CFT физиците са установили математически връзки между квантовото заплитане и геометрията на пространство-времето.
Пастерски и колегите ѝ се опитват да изследват подобна връзка и в небесната холография.
Това обаче е значително по-сложно, защото границата на модела се намира на безкрайно разстояние и не представлява обикновена затворена повърхност.
Изследователите вече са установили определени зависимости между квантовото заплитане върху границата и геометрията на плоското пространство-време. В разгледаните модели областите на плоско пространство-време са свързани с по-слабо заплитане на границата в сравнение с модела AdS/CFT.
Пастерски нарича разработваните от нея математически ограничения, правила и уравнения „граматика“ на небесната холография.
Въпреки напредъка математическото описание все още не е завършено.
Може ли теорията да бъде проверена експериментално?
Едно от най-големите предизвикателства пред теориите за квантовата гравитация е експерименталната им проверка.
Някои предвиждания изискват енергии, които не могат да бъдат постигнати със съществуващите ускорители на частици.
Пастерски обаче разглежда няколко възможности за проверка на отделни аспекти от небесната холография.
Една от тях е свързана с гравитационните вълни, които възникват при събития като сблъсъци между черни дупки.
Учените смятат, че преминаването на такива вълни може да остави малки, но трайни изменения в пространство-времето.
Преди около десетилетие Пастерски и нейни колеги разработват концепцията за така наречения ефект на паметта за въртенето (spin memory effect).
Според нея измененията в пространство-времето могат да съхраняват информация за ъгловия момент на преминалата гравитационна вълна.
Този ефект има математическа връзка с някои от основните принципи на небесната холография.
Бъдещата космическа обсерватория LISA, чието изстрелване се очаква през следващото десетилетие, би могла да открие доказателства за съществуването му.
Подобно наблюдение би предоставило възможност за проверка на част от математическите зависимости, използвани в изследванията на Пастерски, но не би доказало само по себе си цялата концепция.
Може ли Големият адронен колайдер да помогне?
Друга възможност за проверка е свързана с Големия адронен колайдер (LHC) в Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) край Женева.
Пастерски предлага детекторите на ускорителя, включително CMS, да бъдат разглеждани като своеобразна холографска граница.
Това би позволило на физиците да анализират данните от сблъсъците на частици и да търсят закономерности, предвидени от математическия модел.
Една от тях е определена геометрична структура в разпределението на енергията при сблъсъците.
Подходът обаче изисква допълнителни математически корекции, тъй като реалните детектори нямат идеалната сферична геометрия, използвана в теорията.
Коя е Сабрина Пастерски?
Пастерски проявява интерес към науката и авиацията още като дете.
На 12 години започва да сглобява собствен самолет от комплект части, а на 16 вече може да го пилотира.
Първоначално мечтае да работи за космически компании като Blue Origin, Virgin Galactic или SpaceX.
По-късно обаче решава да изучава физика вместо аерокосмическо инженерство в Масачузетския технологичен институт (MIT).
Тя разказва, че като дете е получила насърчително писмо от основателя на Amazon и Blue Origin Джеф Безос.
Въпреки че медиите често я определят като „следващия Айнщайн“, самата тя отхвърля сравнението.
„Това са глупости. На първо място, не мисля, че го заслужавам“, заявява физичката.
Според нея положителната страна на подобна публичност е, че предоставя възможност научните изследвания да достигнат до повече хора.
Живеем ли действително в холограма?
Въпреки че изследва възможността Вселената да има еквивалентно описание с по-малко измерения, Пастерски не приема буквално идеята, че реалността представлява холограма.
„Изучавам математиката, която стои в основата на различните теории. Затова не приемам буквално, че живея в холограма, но смятам, че е много полезно да си задаваме този въпрос“, обяснява тя.
Според физичката, ако учените успеят да изградят пълно математическо съответствие между двете описания, те биха могли да се разглеждат като еднакво валидни.
Засега небесната холография остава активно развиваща се изследователска програма, а не експериментално потвърдена теория за устройството на Вселената.
Нейният потенциал е в това да предостави нов математически подход към един от най-важните нерешени проблеми на съвременната физика – обединяването на гравитацията и квантовата механика.
Изберете bTV Новините като ваш любим източник в Google
