Цифровий космос

Якщо експеримент, підготовка до якого триває в околицях Чикаго, виявиться успішним, то, можливо, доведеться переписати наявні закони фізики. Крейг Гоган (Craig Hogan) вважає, що світ нечіткий, і це не метафора. Фізик із Чиказького університету й директор Центру астрофізики елементарних частинок Національної прискорювальної лабораторії ім. Енріко Фермі (Фермілабу), розташованої в Батавії, штат Іллінойс, припускає: якби якимось чином удалося вдивитися в найдрібнішу комірку простору-часу, ми виявили б, що Всесвіт наскрізь пронизаний внутрішнім тремтінням, подібним до шипіння електростатичних завад у короткохвильовому радіоприймачі. Цей шум породжують частинки, що час від часу народжуються й зникають, або якась інша квантова піна, про яку фізики сперечалися в минулому. Шум Гогана проявиться, якщо світ не є гладким і неперервним, на кшталт матового екрана, на якому танцюють поля й частинки, як ми довго вважали. Він виникає, якщо світ складається з окремих блоків. Шматочків. Піщинок. Виявлення шуму Гогана означатиме, що Всесвіт — цифровий.

Був осінній вітряний день, коли Гоган запросив мене подивитися на установку, яку він споруджує, щоб почути цей шум. Над галявинами кольору хакі, серед яких розташовані будівлі Фермілабу, височіє яскраво-синій ангар — єдина ознака недавнього будівництва в цій лабораторії з 45-річною історією. Труба завтовшки з руку тягнеться на 40 м від ангара до довгого перпендикулярно розташованого бункера, колишнього «шляхопроводу» для пучків елементарних частинок, якими кілька десятиліть бомбардували субатомні частинки в напрямку з півдня на північ, у бік Міннесоти. Бункер перебудували під те, що Гоган називає голометром — голографічним інтерферометром, приладом, створеним для вловлювання тремтіння космічної матерії.

Він дістає пачку кольорової крейди й починає щось писати на блакитній стіні ангара, докладно пояснюючи, як кілька лазерних променів, що стрибають трубами, можуть допомогти проникнути в найтоншу структуру простору. Свою імпровізовану лекцію Гоган починає з пояснення, чому дві найуспішніші теорії XX ст. — квантову механіку й загальну теорію відносності — найімовірніше, неможливо узгодити між собою. Під час наближення до настільки дрібного масштабу обидві теорії перетворюються на нісенітницю. Однак те, що відбувається в цьому масштабі, цікавить нас і з іншої причини: виявляється, явища на цьому рівні фундаментально пов’язані з теорією інформації — нулями й одиницями Всесвіту. За два минулі десятиліття фізики істотно просунулися в розумінні того, як Всесвіт зберігає інформацію, — і навіть зайшли так далеко, що припустили: саме вона, а не матерія й енергія, становить базові комірки всього сущого. Інформація — це послідовність крихітних бітів, і саме з них складається космос.

«Якщо серйозно продовжити міркувати в цьому напрямку, — говорить Гоган, — то ми дійдемо висновку, що цифровий шум простору можна виміряти». І ось він придумав експеримент, який дає змогу дослідити тремтіння Всесвіту, що проявляється в найфундаментальнішому масштабі. Якщо він не спрацює, учений першим оголосить, що йому так нічого й не вдалося розгледіти. Його робота — експеримент у справжньому сенсі слова, наукова розвідка, зондування незвіданого. «Використовуючи добре вивчені фізичні моделі простору-часу й добре перевірені закони квантової механіки, не можна заздалегідь розрахувати те, що ми побачимо, — говорить Гоган. — Але, як на мене, саме це й є головною причиною, чому потрібно провести цей експеримент: вступити в гру й подивитися, що вийде».

А якщо він усе ж почує це тремтіння? Чи означатиме це, що простір і час — зовсім не те, що ми думаємо? «Це змінить архітектоніку всієї фізики», — відповідає Гоган.

Протягом багатьох років фізика елементарних частинок не оперувала такого роду пробними моделями.

Увесь кінець 1960-х і початок 1970-х рр. фізики плели павутину теорій і гіпотез, відому сьогодні у фізиці елементарних частинок як Стандартна модель. У наступні десятиліття ця модель проходила експериментальну перевірку з дедалі більшою глибиною й точністю. «Робота відбувалася так: теоретична спільнота висувала ідею — наприклад, ідею бозона Гіґґса — і створювала модель. На її основі робили передбачення, а експеримент показував, правильна вона чи ні», — говорить Гоган. Спочатку з’являється теорія, а вже потім — експеримент.

Такий консерватизм має цілком зрозуміле пояснення: експерименти у фізиці елементарних частинок обурливо дорогі. Щоб побудувати поблизу Женеви Великий адронний колайдер (ВАК), CERN знадобилося близько $5 млрд. Сьогодні до ВАК прикута увага тисяч фізиків у всьому світі. Це найдосконаліша, найскладніша й найточніша машина з усіх, які будь-коли створював людський розум. Учені відкрито ставлять питання, чи не виявиться наступне покоління прискорювачів на зустрічних пучках — із більшою енергією, більших розмірів і дорожчих — надто амбітним. Людство, можливо, просто відмовиться за них платити.

В експерименті на Великому адронному колайдері можуть брати участь понад 3 тис. учених. У Фермілабі Гоган зібрав групу ледь із 20 осіб, включно зі старшими консультантами з Массачусетського технологічного інституту й Мічиганського університету, які не беруть участі в повсякденній роботі на об’єкті. Гоган передусім фізик-теоретик, який має слабке уявлення про примхи вакуумних насосів і твердотільних лазерів, тому він запросив співкерівником Аарона Чоу (Aaron Chou), експериментатора, який випадково приїхав до Фермілабу приблизно тоді ж, коли Гоган висунув свою пропозицію. Минулого року вони отримали грант у $2 млн, за які в CERN можна було б купити лише один надпровідний магніт для колайдера й чашку кави. Їм же цих грошей достатньо, щоб профінансувати весь проєкт. «Нам не потрібні високі технології, якщо дешевше обійтися обладнанням нижчого технологічного рівня», — говорить Гоган.

Експеримент настільки дешевий, тому що, по суті, це вдосконалена версія експерименту більш ніж столітньої давності, який так стрімко зруйнував картину декорацій усього сущого, що склалася в XIX ст. На початку 1880-х рр. фізики знали, що світло поводиться як хвиля. Вони також знали, що будь-які хвилі — від брижів на поверхні ставка до звуку, що поширюється в повітрі, — мають низку однакових властивостей. Як для скульптури потрібен матеріал, так і хвилі завжди потребують середовища — певної фізичної основи, у якій вони поширюються. Оскільки світло теж є хвилею, логічно було очікувати, що для його поширення також потрібне якесь середовище — невидима субстанція, що пронизує Всесвіт. Учені назвали це приховане середовище ефіром.

У 1887 р. Альберт Майкельсон та Едвард Морлі придумали експеримент, який мав підтвердити існування ефіру. Вони сконструювали інтерферометр — оптичний прилад із двома оптичними плечима, що за формою нагадував літеру L і був оптимізований для вимірювання змін швидкості світла. Світло від одного джерела проходило всю довжину обох плечей, відбивалося від дзеркал на їхніх кінцях, а потім обидва пучки інтерферували в точці, з якої почали свою подорож. Якби проміжки часу, протягом яких світло проходило кожен зі шляхів, відрізнялися хоча б на частку мікросекунди, то інтерференційна картина дала б у центрі темнішу пляму. Майкельсон і Морлі спорудили свій інтерферометр і місяцями проводили вимірювання, а Земля тим часом оберталася навколо Сонця. Залежно від напрямку її руху нерухомий ефір мав впливати на час, потрібний світлу для проходження одного із взаємно перпендикулярних плечей інтерферометра. Зафіксуйте такі зміни — і ви станете першовідкривачем ефіру.

Звісно, експеримент не виявив нічого подібного. Так утворилася глибока тріщина в космологічній теорії, що існувала сотні років. Як лісова пожежа звільняє місце для бурхливого росту нової порості, так і спростування концепції ефіру дало змогу розквітнути новим ідеям. За відсутності ефіру світло завжди рухається з однією й тією самою швидкістю, незалежно від того, як рухаєтеся ви. Через десятиліття Альберт Ейнштейн ухопився за це спостереження, щоб вивести формули теорії відносності.

За допомогою свого інтерферометра Гоган спробує відшукати ознаки чогось схожого на ефір — невидимої (а можливо, й уявної) субстанції, що пронизує Всесвіт. Використовуючи два інтерферометри Майкельсона, встановлені один над одним, він має намір дослідити процеси на фундаментальному масштабі Всесвіту, що характеризується відрізками надмалої довжини, об які спіткнулися і квантова механіка, і теорія відносності, — у ділянці, де інформація живе у вигляді окремих бітів.

Планківська довжина не просто мала — вона найменша з усіх можливих.

Якщо ви візьмете частинку й замкнете її в кубі зі стороною, що дорівнює планківській довжині, то вона важитиме більше, ніж чорна діра такого самого розміру, — стверджує загальна теорія відносності. Але закони квантової механіки говорять, що будь-яка чорна діра, менша за планківську довжину, повинна мати менше одного кванта енергії, а це неможливо. Сама планківська довжина містить у собі парадокс.

Однак планківська довжина — це не просто відстань у просторі, на якій шляхи квантової механіки й теорії відносності розходяться. За останні кілька десятиліть суперечки про природу чорних дір відкрили зовсім нове розуміння планківської довжини. Наші найкращі теорії можуть розсипатися, але на їхньому місці виникне щось інше. Сутність Всесвіту — інформація, тому такий напрям міркувань має право на існування, а фундаментальні біти інформації, що дали початок Всесвіту, лежать на планківському масштабі.

«Інформація передбачає відмінність між сутностями, — пояснював минулого літа фізик зі Стенфордського університету Леонард Сасскінд (Leonard Susskind) на лекції в Нью-Йоркському університеті. — Основний принцип фізики полягає в тому, що ці відмінності ніколи не зникають. Вони можуть переплутуватися й навіть змішуватися, але не зникають цілком». Навіть коли цей журнал перетвориться на паперову масу на фабриці з перероблення макулатури, інформація, що міститься на його сторінках, перетвориться, але не зникне безслідно. Теоретично процес розпаду можна зробити оборотним (відновити слова й фотографії з паперової маси), навіть якщо практично таке завдання здається нездійсненним.

Фізики давно погодилися з цим принципом, окрім одного особливого випадку. Що буде, якщо жбурнути журнал у чорну діру? Адже з чорної діри ніщо не може вирватися. Навіть після того, як у 1975 р. Стівен Гокінг (Stephen Hawking) показав, що чорні діри можуть випускати речовину й енергію (у формі, яка згодом дістала назву «випромінювання Гокінга»), це випромінювання видавалося позбавленим структури — таким собі безживним космічним меканням. Учений зробив висновок, що, ймовірно, чорні діри знищують інформацію.

Це нісенітниця, заперечили йому деякі колеги, серед яких були Сасскінд і Герард ’т Гофт (Gerard 't Hooft), фізик-теоретик з Утрехтського університету в Голландії, який згодом отримав Нобелівську премію. «Уся структура всього, що ми знаємо, була б зруйнована, якби ви лише трохи прочинили двері для уявлення, що інформація втрачається», — пояснює Сасскінд. Однак Гокінга було не так легко переконати, тому протягом наступних 20 років фізики розробляли нову теорію, яка могла б пояснити цю суперечність. Вона дістала назву голографічного принципу й стверджує, що, коли об’єкт падає в чорну діру, речовина, можливо, і втрачається, але інформація про об’єкт якимось чином відбивається на поверхні чорної діри. Маючи відповідний інструмент, теоретично ви можете відновити її з чорної діри так само, як із паперової маси на переробному заводі. Горизонт подій чорної діри — точка неповернення — виконує подвійну функцію, як і надгробна плита. Інформація не втрачається.

Цей принцип — аж ніяк не бухгалтерський трюк. Він стверджує, що хоча ми бачимо навколишній світ тривимірним, уся інформація про нього зберігається на поверхнях, які мають лише два виміри (див.: Бекенштейн Я. Інформація в голографічному Всесвіті). Ба більше, існує фундаментальна межа обсягу інформації, яка може вміститися на поверхні заданої площі. Якщо поділити поверхню, як шахівницю, на квадрати зі стороною у дві планківські довжини, то обсяг інформації завжди буде меншим за кількість таких квадратів.

У серії статей 1999 і 2000 рр. Рафаель Буссо (Raphael Bousso), який нині працює в Каліфорнійському університеті в Берклі, показав, як цей голографічний принцип можна поширити за межі простих поверхонь навколо чорних дір. Він уявив об’єкт, оточений численними лампами-спалахами, що одночасно спалахують у темряві. Фронт світлової хвилі, який рухається всередину, задає певну поверхню — щось на кшталт бульбашки, що стискається зі швидкістю світла. Саме на цій двовимірній поверхні — так званому світловому листі — і зберігається вся інформація про тебе (або про вірус грипу, або про наднову).

Цей світловий лист, згідно з голографічним принципом, відіграє найважливішу роль. Усередині він містить інформацію про положення кожної частинки, кожного електрона, кварка й нейтрино, а також кожної сили, що діє на них. Однак було б помилкою думати про світловий лист як про шматок плівки, на якій пасивно фіксується все, що відбувається у світі. Насправді спочатку з’являється світловий лист. Він проєктує інформацію зі своєї поверхні в зовнішній світ, утворюючи все, що ми бачимо. У деяких інтерпретаціях він не просто породжує всі сили й частинки — він формує саму тканину простору-часу. «Я вважаю, що простір-час — це те, що ми називаємо проєкцією, — говорить Герман Верлінде (Herman Verlinde), фізик із Принстонського університету, колишній студент ’т Гофта. — Він виникає з послідовності нулів і одиниць».

Але є проблема: хоча фізики здебільшого погоджуються, що голографічний принцип правильний і що одиниці й нулі на сусідніх поверхнях містять усю інформацію про навколишній світ, вони не знають, як ця інформація кодується, як природа обробляє ці одиниці й нулі або яким чином результат такої обробки дає початок світові. Вони припускають, що Всесвіт працює як комп’ютер: інформація створює в уяві те, що ми відчуваємо як фізичну реальність; але поки що цей комп’ютер залишається для нас великою чорною скринькою.

Зрештою, причина, з якої фізики так схвильовані голографічним принципом і вже кілька десятиліть його розробляють, полягає не в бажанні переконати Гокінга, що він помилявся. Звісно, першопричина в тому, що голографічний принцип формулює глибинний зв’язок між інформацією, матерією й гравітацією. Зрештою він, можливо, підкаже, як узгодити дві надзвичайно успішні й водночас взаємно несумісні основи фізики XX століття — квантову механіку й загальну теорію відносності. «Голографічний принцип — це віха на шляху до квантової теорії гравітації», — говорить Буссо. Це одна з вихідних гіпотез, що вказує шлях до теорії, яка має замінити сучасне розуміння світу. «Не виключено, що нам потрібні додаткові віхи».

Ось у таку плутанину, не маючи власної великої теорії всього сущого й озброївшись лише своїм голометром, і вирішив втрутитися Гоган.

Але велика теорія йому й не потрібна. Учений не збирається розв’язувати всі ці неймовірно складні проблеми. Усе, що він має намір зробити, — з’ясувати основоположне питання: чи є Всесвіт світом, який складається з бітів? Якщо йому це вдасться, він справді поставить віху — гігантську стрілку, що вказує напрямок до цифрового Всесвіту. І фізикам буде зрозуміло, куди йти.

За Гоганом, у світі, що складається з бітів, квантується сам простір: він виникає з дискретних квантованих бітів на планківському масштабі. І якщо простір квантується, то він має страждати від хвороби, притаманної квантовій механіці, — невизначеності. Він не перебуває нерухомо, як гладка космічна декорація. Натомість квантові флуктуації змушують простір здійматися й вібрувати, примушуючи світ тремтіти в унісон. «Всесвіт — аж ніяк не класичний, прозорий як кришталь ефір, — говорить Ніколас Сунцев (Nicholas В. Suntzeff), астроном із Техаського університету сільського господарства й механіки. — На найдрібнішому, мікроскопічному рівні постійно відбуваються ці малі флуктуації, схожі на змикання бульбашок піни. Вони дуже сильно впливають на структуру Всесвіту».

Хитрість полягає в тому, щоб проникнути в мікросвіт до рівня цієї просторово-часової «піни» й виміряти її коливання. І ось тут ми стикаємося з проблемою планківської довжини. Вона настільки мала, що якби ми захотіли виміряти її традиційними методами (наприклад, за допомогою прискорювачів елементарних частинок), знадобилися б машини розміром із Чумацький Шлях. А голометр Гогана — це якраз спроба завдати нищівного удару по проблемі планківської довжини з тилу.

Але повернімося до часу, коли Майкельсон і Морлі досліджували неіснуючий ефір. Їхній інтерферометр вимірював найдрібніші зміни — зміни швидкості світла під час руху Землі навколо Сонця — шляхом порівняння двох пучків світла, що проходили достатньо довгий шлях. Що більший шлях проходить світло, то точніше вимірювання. Те саме й з голометром Гогана. Його стратегія досягнення планківської довжини полягає у вимірюванні похибки, що накопичується внаслідок тремтіння квантової системи.

«Коли я дивлюся на екран свого телевізора або монітор комп’ютера, зображення виглядає чудовим і гладким, — говорить Чоу. — Але якщо придивитися до екрана зблизька, можна побачити окремі кольорові точки». Можливо, те саме відбувається з простором-часом. У звичному для людини масштабі — масштабі, що відповідає розмірам людей, будинків, мікроскопів, — простір видається нам гладкою неперервною штуковиною. Нам ніколи не доводилося бачити, щоб автомобіль, який їде вулицею, стрибав з однієї точки до іншої, ніби Всевишній увімкнув стробоскоп.

Простір не перебуває нерухомо, як гладка космічна декорація. Насправді квантові флуктуації змушують простір здійматися й вібрувати, рухаючи світ разом із собою

Однак у голографічному світі Гогана все саме так і відбувається. Простір сам по собі дискретний — або, сучасною мовою, «квантується» (див.: Смолін Л. Атоми простору й часу). Він народжується з якоїсь ще глибшої системи, якоїсь принципово квантової структури, про яку ми поки що не маємо уявлення. «Це трохи скидається на шахрайство, оскільки я не маю щодо цього жодної теорії, — говорить Гоган. — Але це лише перший крок. Я можу сказати цим теоретикам, які займаються гравітацією: "Нумо, хлопці, придумайте, як усе це має працювати!”».

Голометр Гогана багато в чому влаштований подібно до інтерферометра Майкельсона, ніби Майкельсон і Морлі мали у своєму розпорядженні прилади сучасної мікроелектроніки й двоватні лазери.

А у світі сучасної фізики елементарних частинок отримати такі «певні ознаки» може виявитися доволі нетривіальним завданням. «Це не в ногу з часом, — говорить Гоган, — вдаватися до такого старомодного стилю у фізиці, який можна сформулювати приблизно так: "Ми підемо й неупереджено з’ясуємо, що і як відбувається в природі"». Щоб проілюструвати сказане, він любить розповідати притчу про походження теорії відносності й квантової механіки. Ейнштейн відкрив теорію відносності, не відходячи від робочого столу, математично вивівши її з кількох постулатів. На той час існувало лише кілька експериментальних неузгодженостей, які вона допомогла усунути, а перше справжнє експериментальне підтвердження теорії відносності відбулося через багато років. Натомість квантову механіку нав’язали теоретикам результати експериментів, що збивали їх із пантелику. («Жоден теоретик при здоровому глузді не придумав би квантової механіки, якби на нього не тиснули експериментальні дані», — говорить Гоган.) Проте вона виявилася найуспішнішою теорією в історії науки.

Так само теоретики протягом багатьох років будували красиві концепції, наприклад теорію струн, хоча досі незрозуміло, як їх можна перевірити й чи можливо це взагалі. Призначення свого голометра Гоган бачить в отриманні таких самих даних, що «збивають із пантелику», які майбутнім теоретикам доведеться пояснити. «Досить довго не було поступу, — говорить він. — Як змусити фізику рухатися далі? Іноді її вдається зрушити з місця за допомогою експерименту».

Переклад: А.П. Кузнецов

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

1. The Holographic Principle. Raphael Bousso in Reviews of Modern Physics, Vol. 74, No. 3, pages S25-874; 2002. http://arxiv.arg/abs/hep-th/0203101
2. Бекенштейн Я. Інформація в голографічному Всесвіті // ВМН, № 11,2003.
3. Смолін Л. Атоми простору й часу // ВМН, № 4, 2004.
4. Now Playing: Reality. In 3-D. Т. Klutz in Symmetry, Vol. 8, No. 3, pages 22-25; October 2011.
5. Interferometers as Probes of Planckian Quantum Geometry. Craig J. Hogan. http://arxiv.org/abs/1002.4S80

ПРО АВТОРА

Крейг Гоган, директор Центру астрофізики елементарних частинок, позує у своєму кабінеті (1). Прецизійне оптичне обладнання використовують для фокусування й юстування лазерних променів. Один комплект труб установлюють у бункері, який раніше використовували для пучків елементарних частинок; інший, що лежить на поверхні, закінчується біля блакитного ангара, де розташовані дзеркала й фокусувальна оптика. Гоган і його група будують голометр на майданчику за кілометр звідси. Під час експерименту лазерний промінь пройде всередині 40-метрових труб із вакуумною ізоляцією.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.