Статьи и обзоры → Голографическая Вселенная
Если эксперимент, подготовка к которому идет в окрестностях Чикаго, окажется успешным, то, возможно, будут переписаны существующие законы физики. Крейг Хоган (Craig Hogan) считает, что мир нечеток, и это не метафора. Физик из Чикагского университета и директор Центра астрофизики элементарных частиц Национальной лаборатории ускорителей им. Энрико Ферми (Фермилаба), расположенного в Батавии, штат Иллинойс, полагает, что если бы каким-то образом удалось вглядеться в мельчайшую ячейку пространства-времени, то мы обнаружили бы, что Вселенная насквозь пронизана внутренней дрожью, подобной шипению электростатических помех в коротковолновом радиоприемнике. Этот шум производят непостоянно рождающиеся и умирающие частицы или какая-нибудь другая квантовая пена, о которой физики спорили в прошлом. Шум Хогана проявится в том случае, если мир не гладкий и непрерывный, вроде матового экрана, на котором пляшут поля и частицы, как мы долго считали. Он возникает, если мир состоит из отдельных блоков. Кусочков. Песчинок. Обнаружение шума Хогана будет означать, что Вселенная — цифровая.
Возможно, сила тяготения и одно из пространственных измерений возникают в результате взаимодействия частиц и полей, существующих в трехмерном мире. Всем нам хорошо знакомы три пространственных измерения: вверх-вниз, влево-вправо и вперед-назад. Четырехмерную комбинацию пространства и времени принято называть пространством-временем. Таким образом, мы живем в четырехмерной вселенной. Так ли это?
Аргументация теории струн, как и практически все расчеты на основе теории струн, использует теорию возмущений. Недавно, однако, были предложены некоторые идеи с целью получения точных результатов. Они основаны на различных примерах так называемой «голографической гипотезы», которая затем привела к голографическому принципу.
Для первого ознакомления с голографическим принципом, полезно ознакомится с рядом более простых статей.
читать
На вопрос «из чего состоит физический мир» вам скорее всего ответят – «из вещества и энергии». Однако образованный человек непременно упомянет и об информации, которая играет ключевую роль в живой и даже неживой природе. Согласно же теории Джона Уилера (John A. Wheeler) из Принстонского университета, физический мир состоит именно из информации, а вещество и энергия играют в нем второстепенную роль.
Наиболее важное наблюдение в космологии после Хаббла – открытие ускоренного расширения Вселенной. Огромное число последующих наблюдений подтвердили этот факт. Однако, имелось много попыток опровергнуть заключение о космическом ускорении. В основном они базировались на изощренных трюках, предполагающих особое место Земли во Вселенной (как в модели Птолемея) и противоречащих космологическому принципу. Мы находим их искусственными и ad hoc. Мы считаем ускоренное расширение установленным фактом, который теоретикам следует интерпретировать с минимальным числом дополнительных предположений.
Слегка сокращенный (без потери смысла + некоторые дополнения)перевод статьи Damien A. Easson, Paul H. Frampton, George F. Smoot, Entropic Accelerating Universe
читать
Количественные и концептуальные проблемы, с которыми сталкивается СКМ при описании динамики Вселенной, не может оставить равнодушным ни одного физика (согласно А. Эйнштейну, "высшим долгом физиков является поиск тех общих, элементарных законов, из которых путём чистой дедукции можно получить картину Мира"). Одной из наиболее важных проблем в космологии, да и вообще в физике, является отличие наблюдаемой плотности космологической постоянной от теоретически ожидаемой на $120$ порядков. В физике частиц космологическая постоянная естественно возникает как плотность энергии вакуума, которая может быть оценена как сумма нулевых колебаний квантовых полей с массой $m$. В этом подразделе, если это не оговорено отдельно, мы используем систему единиц, в которой $c=\hbar=1.$
Этот обзор является продолжением
- О принципах в физике
- Голографическая принцип - первая встреча
- Термодинамика чёрных дыр
- Голографическая динамика - шагами Э. Верлинде
- Вселенная как голограмма
Черные дыры — одни из самых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна. У них интересная история, поскольку они преподнесли теоретикам немало неожиданностей и позволили лучше понять природу пространства-времени.
Согласно теории всемирного тяготения Исаака Ньютона, если подбросить предмет, он упадет под действием земного притяжения. А можно ли запустить его с такой скоростью, чтобы он не вернулся на Землю? Можно.
Если придать ему скорость выше второй космической (около 11 $km\,c^{-1}$), тогда он покинет гравитационное поле планеты. Эта скорость выхода зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля была массивнее при ее нынешнем размере или имела бы меньший радиус, то она была бы выше.А что если плотность и масса космического тела настолько велики, что скорость выхода из его гравитационного поля выше скорости света? Такое тело будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет его покинуть не может.
читать
Возможно, ли распространить голографический подход, уходящий корнями в термодинамику чёрных дыр на описание динамики Вселенной? Начнем с простых оценок. Сравним близость к чёрной дыре Земли, Солнца и видимой Вселенной. Рассмотрим гравитационный (шварцшильдовский) $r_g$ и физический $R$ радиусы Земли и Солнца. Для Солнца $R\simeq 7\times 10^{5}$ км, а $r_g\simeq 3$ км. Для Земли $R\simeq 6400$ км, а $r_g\simeq 0.884 $ cм.
Эти объекты совсем не похожи на чёрную дыру. Выполним аналогичную оценку для видимой части Вселенной, приняв за ее размер хаббловский радиус $R_{H}=cH^{-1}$ $$r_{g,univ}=\frac{2GM_{univ}}{c^2};$$ $$R_{H}=cH^{-1};$$ $$M_{univ}=\frac{4\pi }{3}R_H^{3}\rho;$$ $$H^2=\frac{8\pi G}{3}\rho \to \rho =\frac{3H^2}{8\pi G};$$ $$M_{univ}=\frac{4\pi }{3}R_H^3\frac{3H^2}{8\pi G}=\frac{c^2R_H}{2G};$$ $$R_H=\frac{2GM_{univ}}{c^2}=r_{g,univ}$$ Впечатляющее 'совпадение', позволяющее использовать при голографическом описании
Вселенной аргументацию термодинамики чёрных дыр. Как мы видели выше, ключевым местом голографического подхода является исключение гравитации из числа фундаментальных сил и придание ей статуса энтропийной силы.
Используя данную аналогию можно приписать поверхности хаббловского радиуса температуру Хокинга. Оценим температуру хаббловской сферы, рассматривая ее как голографический экран. Для требуемой оценки воспользуемся 'близостью' видимой Вселенной к чёрной дыре. Преобразуем эту формулу, используя первое уравнение Фридмана $$T_{BH}=\frac{\hbar c^3}{8\pi Gk_{_B}M}=\frac{1}{3}\frac{\hbar c^3}{k_{_B}}\frac{\rho }{MH^2}=\frac 13\frac{\hbar c^3}{k_{_B}}\frac 1 {VH^2}$$ Подставляя $V=\frac{4\pi }{3}R_H^3$ и учитывая, что хаббловский радиус равен $R_H=cH^{-1},$ получим для температуры хаббловской сферы $$T_{H}=\frac{\hbar H}{4\pi k_{_B}}\sim 10^{-30} K$$ Как будет показано ниже, не составляет труда получить уравнения Фридмана, описывающие динамику Вселенной из голографического принципа, не привлекая представлений о гравитации и уравнений Эйнштейна. Будет показано что они получаются аналогично уравнениям Ньютона, при условии если в качестве голографического экрана принимать хаббловский радиус.
Предложение не рассматривать гравитацию как фундаментальную силу природы имеет длинную историю. Первая идея была предложена Сахаровым в 1967 году. Эта идея получила дальнейшее развитие после открытия в 70-е годы термодинамических свойств чёрных дыр.
Геометрические особенности термодинамических величин чёрных дыр привели Якобсона к интересному вопросу: можно ли вывести уравнения Эйнштейна для гравитационного поля из термодинамики. Оказывается это действительно возможно, и ниже мы продемонстрируем, как эта возможность может быть реализована с помощью современной 'голографической техники'.
Этот обзор является продолжением
- О принципах в физике
- Голографическая принцип - первая встреча
- Термодинамика чёрных дыр
- Голографическая динамика - шагами Э. Верлинде
В этой части обзора, являющегося продолжением тем
мы проследим как Э. Верлинде в своей статье On the Origin of Gravity and the Laws of Newton делает попытку построить классическую динамику, не прибегая к понятию гравитации. читать
Открытие Хокингом теплового излучения чёрной дыры было для большинства специалистов полной неожиданностью, хотя к моменту этого открытия уже существовало довольно много соображений, свидетельствующих о тесном переплетении физики чёрных дыр и термодинамики.
Уилер, по-видимому, первым обратил внимание на то, что в рамках классической теории тяготения уже сам факт существования чёрной дыры противоречит закону возрастания энтропии. Действительно, представим себе, что чёрная дыра поглощает горячее тело, обладающее некоторым запасом энтропии. Тогда внешний наблюдатель видит уменьшение полной энтропии в части мира, доступной его наблюдению. Чисто формально этого уменьшения энтропии можно было бы избежать, если просто приписать энтропию, связанную с упавшим телом, внутренности чёрной дыры. Однако этот выход явно неудовлетворителен, поскольку любые попытки внешнего наблюдателя определить значение энтропии, поглощённой чёрной дырой вместе с горячим телом, обречены на неудачу. Кроме того, состояние падающего на чёрную дыру вещества могло задаваться множеством микроскопических параметров, после падения, согласно теореме об отсутствии волос на чёрной дыре, должно описываться только тремя: массой, моментом импульса и электрическим зарядом. По прошествии краткого времени после этого процесса чёрная дыра становится стационарной и вследствие эффекта выпадения волос полностью забывает такие детали, как строение упавшего тела и его энтропию.
Этот обзор является продолжением
читать
