Кіріспе
Шектелген аймақтың ішіндегі физика аймақтың шекарасындағы физикамен толықтай сипатталады. Голографиялық принцип – бұл жол теориясының қасиеті және кванттық гравитацияның болжамды қасиеті, ол кеңістіктің көлемін сипаттауды аймақтың төменгі өлшемді шекарасында кодталған деп қарастырады – мысалы, гравитациялық горизонт сияқты жарық тәрізді шекара. Алғаш рет оны Жерард 'т Хоофт ұсынған, ал Леонард Саскинд оның идеяларын 'т Хоофт пен Чарльз Торнның бұрынғы идеяларымен біріктірді. Леонард Саскинд былай деді: «Құрметті тәжірибедегі үш өлшемді әлем – галактикалар, жұлдыздар, планеталар, үйлер, тастар және адамдармен толы ғалам – бұл голограмма, алыс екі өлшемді бетке кодталған шындықтың бейнесі». Рафаэль Буссо атап өткендей, Торн 1978 жылы жол теориясының төменгі өлшемді сипаттамаға ие екенін байқаған, онда гравитация қазір голографиялық деп аталатын тәсілмен пайда болады. Голографияның басты мысалы – AdS/CFT сәйкестігі. Голографиялық принцип қара тесіктердің термодинамикасынан туындады, ол кез келген аймақтағы максималды энтропия радиусқа пропорционал өседі деп болжайды, ал көлемге пропорционал болуы күтілген. Қара тесік жағдайында, оған түскен барлық нысандардың ақпараттық мазмұны оқиға горизонтының бетіндегі флуктуацияларда толығымен сақталатыны анықталды. Голографиялық принцип жол теориясы шеңберінде қара тесік ақпарат парадоксын шешеді.
The holographic principle is a property of string theories and a supposed property of quantum gravity that states that the description of a volume of space can be thought of as encoded on a lower dimensional boundary to the region — such as a light like boundary like a gravitational horizon. First proposed by Gerard 't Hooft, it was given a precise string theoretic interpretation by Leonard Susskind, who combined his ideas with previous ones of 't Hooft and Charles Thorn. Leonard Susskind said, "The three dimensional world of ordinary experience––the universe filled with galaxies, stars, planets, houses, boulders, and people––is a hologram, an image of reality coded on a distant two dimensional surface." As pointed out by Raphael Bousso, Thorn observed in 1978 that string theory admits a lower dimensional description in which gravity emerges from it in what would now be called a holographic way. The prime example of holography is the AdS/CFT correspondence. The holographic principle was inspired by black hole thermodynamics, which conjectures that the maximum entropy in any region scales with the radius squared, and not cubed as might be expected. In the case of a black hole, the insight was that the information content of all the objects that have fallen into the hole might be entirely contained in surface fluctuations of the event horizon. The holographic principle resolves the black hole information paradox within the framework of string theory.
Жоғары деңгейдегі қорытынды
Көптеген адамдар физикалық ғаламның "материя" мен "энергиядан" тұратынын қабылдайды. 2003 жылы Scientific American журналында жарияланған мақаласында Джейкоб Бекенштейн Джон Арчибальд Уилер бастаған қазіргі бағытты қорытындылап, ғалымдар "физикалық әлемді ақпараттан құралған, ал энергия мен материя – екінші дәрежелі нәрселер" деп қарастыруы мүмкін екенін болжайды. Бекенштейн: "Уильям Блейктің есте қаларлық түрде жазғандай, "құмның бір түйіршігінде әлемді көре аламыз ба", әлде бұл тек "шығармашылық еркіндік" пе?" деп сұрақ қойып, голографиялық принципке сілтеме жасайды.
Күтпеген қосылым
Бекенштейннің "Екі энтропияның әңгімесі" атты тақырыптық шолуы Уилер трендінің потенциалды терең салдарларын сипаттайды, ақпарат теориясы мен классикалық физика арасындағы бұрын күтпеген байланысты атап көрсету арқылы. Бұл байланыс алғаш рет 1948 жылы американдық қолданбалы математик Клод Шеннонның маңызды еңбектерінде, қазіргі кезде кеңінен қолданылатын ақпарат мазмұнының өлшемі – Шеннон энтропиясы енгізілгеннен кейін сипатталды. Ақпарат мөлшерін объективті түрде өлшеу құралы ретінде Шеннон энтропиясы өте пайдалы болды, себебі ұялы телефондардан модемдерге, қатты дискілер мен DVD-лерге дейін, барлық заманауи байланыс және дерек сақтау құрылғыларының дизайны Шеннон энтропиясына негізделген. Термодинамикада (физиканың жылумен айналысатын саласы) энтропия материя мен энергияның физикалық жүйесіндегі "дәуірсіздіктің" өлшемі ретінде жиі сипатталады. 1877 жылы австриялық физик Людвиг Болцман оны макроскопиялық "кесек" материяны құрайтын бөлшектердің, әлі де сол макроскопиялық "кесек" сияқты көрінетін, әртүрлі микроскопиялық күйлерде болу мүмкіндігінің саны тұрғысынан дәлірек сипаттады. Мысалы, бөлмедегі ауаның термодинамикалық энтропиясы бөлмедегі жеке газ молекулаларының таралуының барлық мүмкін жолдарының және олардың қозғалуының барлық мүмкін жолдарының логарифміне тең болады.
Энергия, материя және ақпарат теңдестігі
Шеннонның, мысалы, телеграф хабарламасындағы ақпаратты сандық түрде өлшеу жолын табуға жасаған тырабы, күтпеген жерден оны Болцманның формуласына ұқсас формулаға жеткізді. 2003 жылғы тамыз айындағы Scientific American журналында жарияланған «Голографиялық әлемдегі ақпарат» атты мақаласында Бекенштейн: «Термодинамикалық энтропия мен Шеннон энтропиясы тұжырымдық жағынан эквивалентті: Болцман энтропиясымен саналатын жағдайлардың саны, Шеннон ақпаратының қаншасы белгілі бір жағдайды іске асыру үшін қажет екенін көрсетеді» деп қорытындылады. Физиканың термодинамикалық энтропиясы мен Шеннонның ақпараттық энтропиясы арасындағы басты айырмашылық – өлшем бірліктерінде ғана; біріншісі энергияны температураға бөлу арқылы алынады, ал екіншісі негізінен өлшемсіз «биттер» түрінде беріледі. Голографиялық принципке сәйкес, қарапайым массаның (қара тесіктер ғана емес) энтропиясы көлемге емес, беттік ауданына пропорционалды болады; көлемнің өзі – иллюзия, ал ғалам – шын мәнінде оның шекарасының бетіне «жазылған» ақпаратқа изоморфты голограмма. Немесе, өлшегіш/гравитациялық дуалдық – физикалық теориялардың екі түрі арасындағы гипотезалық байланыс. Бір жағынан, anti de Sitter кеңістігі (AdS) кванттық гравитация теорияларында қолданылады, ол string theory немесе M теориясы тұрғысынан құрастырылған. Сәйкестіктің екінші жағында конформдық өріс теориясы (CFT) орналасқан, ол кванттық өріс теориясы болып табылады, соның ішінде элементар бөлшектерді сипаттайтын Янг-Миллс теорияларына ұқсас теорияларды қамтиды. Бұл дуалдық – string theory және кванттық гравитацияны түсінудегі маңызды қадам. Өйткені ол белгілі бір шешімдермен string theory-нің бұзылмаған тұжырымдамасын ұсынады және голографиялық принциптің ең сәтті жүзеге асырылуы болып табылады. Бұдан өзге, ол күшті байланысқан кванттық өріс теорияларын зерттеу үшін қуатты құралдар жиынтығын ұсынады. Дуалдықтың тиімділігінің көп бөлігі оның күшті-әлсіз дуалдық екендігіне байланысты: кванттық өріс теориясының өрістері күшті өзара әрекеттескенде, гравитациялық теориядағылар әлсіз өзара әрекеттеседі, демек математикалық тұрғыдан қарастыру оңайырақ. Осы факт ядролық физика мен конденсирленген зат физикасының көптеген аспектілерін зерттеу үшін қолданылды, олардың мәселелері string theory-де математикалық тұрғыдан қарастырылатын мәселелерге аударылды. AdS/CFT сәйкестігін алғаш рет 1997 жылдың соңында Хуан Малдасена ұсынған.
Қара тесік энтропиясы
Энтропиясы салыстырмалы түрде жоғары объект микроскоптық тұрғыдан кездейсоқ болады, ыстық газ сияқты. Классикалық өрістердің белгілі бір конфигурациясы нөлдік энтропияға ие: электр және магнит өрістерінде немесе гравитациялық толқындарда ешқандай кездейсоқтық жоқ. Қара тесіктер Эйнштейн теңдеулерінің нақты шешімдері болғандықтан, оларда энтропия да жоқ деп есептелді. Бірақ Джейкоб Бекенштейн бұл термодинамиканың екінші заңының бұзылуына алып келеді деп атап өтті. Егер энтропиясы бар ыстық газды қара тесікке тастаса, ол оқиғалар горизонтынан өткеннен кейін энтропия жоғалады. Қара тесік газды сіңіріп алып, тұрақтанғаннан кейін газдың кездейсоқ қасиеттерін байқау мүмкін болмайды. Екінші заңды сақтаудың бір жолы – қара тесіктердің шындығында кездейсоқ объектілер болуы және сіңірілген газдың энтропиясынан артық мөлшерде энтропиясының өсуі. Белгілі бір көлемді қарағанда, оқиға горизонты сол көлемді қамтитын қара тесік ең жоғары энтропияға ие объекті болуы керек. Әйтпесе, егер бізде үлкен энтропиясы бар бірдеңе болса, оған көбірек масса қосып, энтропиясы аз қара тесік аламыз, бұл екінші заңды бұзады. Гравитациялық уақыттың өзгеруі алыстағы бақылаушының көзқарасынан оқиға горизонтында уақыттың тоқтауына себеп болады. Қозғалыс жылдамдығының табиғи шегі болғандықтан, бұл құлайтын объектілердің оқиға горизонтына қанша жақындаса да өтуіне кедергі келтіреді. Кванттық күйдегі кез келген өзгеріс уақыттың өтуін қажет етеді, сондықтан барлық объектілер мен олардың кванттық ақпарат жағдайы оқиға горизонтында сақталады. Бекенштейн кез келген қашықтағы бақылаушының көзқарасынан қара тесіктің энтропиясы оқиға горизонтының ауданына тікелей пропорционалды деген қорытындыға келді. Стивен Хокинг бұрын қара тесіктердің жиынтығының горизонт ауданы уақыт өте келе үнемі өсетінін көрсеткен болатын. Горизонт – жарық сияқты геодезиялықтармен анықталатын шекара; бұл жарық сәулелері, олар қашуға тырысса да қашып шыға алмайды. Егер көрші геодезиялықтар бір-біріне қарай қозғалса, олар соқтығысады, сол кезде олардың кеңеюі қара тесіктің ішінде болады. Сондықтан геодезиялықтар үнемі бір-бірінен алыстайды және шекараны құрайтын геодезиялықтардың саны үнемі өседі. Хокингтің нәтижесі энтропияның өсу заңымен салыстыра отырып, қара тесік термодинамикасының екінші заңы деп аталды. Бастапқыда Хокинг бұл ұқсастықты тым маңызды деп санамады. Ол қара тесіктің температурасы нөлге тең болуы керек деп мәлімдеді, өйткені қара тесіктер сәулеленбейді және оң температурадағы кез келген қара денемен жылулық тепе-теңдікте бола алмайды. Содан кейін ол қара тесіктердің сәулеленетінін ашты. Жылу термиялық жүйеге қосылғанда, энтропияның өзгеруі масса-энергияның температураға бөлінгенімен тең: (Бұл жерде δM c2 термині жүйеге қосылған жылу энергиясын, әдетте интеграцияланбайтын кездейсоқ процестер арқылы білдіреді, ал dS тек бірнеше "күйдің айнымалыларының" функциясы болып табылады, яғни дәстүрлі термодинамикада тек Кельвин температурасы T және қысым сияқты бірнеше қосымша күйдің айнымалылары). Егер қара тесіктердің энтропиясы шекті болса, олардың температурасы да шекті болуы керек. Атап айтқанда, олар фотондардың жылулық газымен тепе-теңдікке келеді. Бұл қара тесіктер фотондарды сіңіріп қана қоймай, нақты тепе-теңдікті сақтау үшін оларды дұрыс мөлшерде шығаруы керек дегенді білдіреді. Уақыттан тәуелсіз өріс теңдеулерінің шешімдері сәулеленуді шығармайды, өйткені уақыттан тәуелсіз фон энергияны сақтайды. Осы принципке сүйене отырып, Хокинг қара тесіктердің сәулеленбейтінін көрсетуге тырысты. Бірақ, оның таңғалысына, мұқият талдау оны олардың сәулеленетініне және белгілі температурадағы газбен тепе-теңдікке жетудің дұрыс жолына көндірді. Хокингтің есептеулері пропорционалдылық тұрақтысын 1/4 деп белгіледі; қара тесіктің энтропиясы оның Планк бірліктеріндегі горизонт ауданының төрттен біріне тең. Энтропия микрокүйлер санының логарифміне пропорционалды, жүйе макроскопиялық сипаттаманы өзгертпей микроскопиялық түрде қанша түрде конфигурациялана алатынын көрсетеді. Қара тесік энтропиясы өте қызығушылық тудырады – ол қара тесік күйлерінің санының логарифмі ішкі көлемге емес, горизонт ауданына пропорционалды екенін айтады. Кейін Рафаэль Буссо нөлдік парақтарға негізделген шектің ковариантты нұсқасын ұсынды.
(Here the term δM c2 is substituted for the thermal energy added to the system, generally by non integrable random processes, in contrast to dS, which is a function of a few "state variables" only, i. e. in conventional thermodynamics only of the Kelvin temperature T and a few additional state variables, such as the pressure.) If black holes have a finite entropy, they should also have a finite temperature. In particular, they would come to equilibrium with a thermal gas of photons. This means that black holes would not only absorb photons, but they would also have to emit them in the right amount to maintain detailed balance. Time independent solutions to field equations do not emit radiation, because a time independent background conserves energy. Based on this principle, Hawking set out to show that black holes do not radiate. But, to his surprise, a careful analysis convinced him that they do, and in just the right way to come to equilibrium with a gas at a finite temperature. Hawking's calculation fixed the constant of proportionality at 1/4; the entropy of a black hole is one quarter its horizon area in Planck units. The entropy is proportional to the logarithm of the number of microstates, the enumerated ways a system can be configured microscopically while leaving the macroscopic description unchanged. Black hole entropy is deeply puzzling – it says that the logarithm of the number of states of a black hole is proportional to the area of the horizon, not the volume in the interior. Later, Raphael Bousso came up with a covariant version of the bound based upon null sheets.
Қара тесік ақпарат парадоксы
Хокингтің есептеулері қара тесіктердің шығаратын сәулеленуі сіңіретін материямен ешқандай байланысы жоқ екенін көрсетті. Шығатын жарық сәулелері қара тесіктің шетінен басталып, көкжиекке жақын ұзақ уақыт бойы жүреді, ал құлап түсетін материя көкжиекке әлдеқайда кейін жетеді. Құлап түсетін және шығатын масса/энергия тек қана қиылысқанда ғана өзара әрекеттеседі. Шығу күйінің кішкентай қалдық шашыраумен толық анықталуы ықпалсыз. Хокинг мұны қара тесіктер толқындық функциямен сипатталған таза күйдегі фотондарды сіңіргенде, тығыздық матрицасымен сипатталған жылулық аралас күйде жаңа фотондарды қайта шығарады деп түсіндірді. Бұл кванттық механиканы өзгертуді қажет етеді, себебі кванттық механикада ықтималдық амплитудалары бар суперпозициялар ешқашан әртүрлі мүмкіндіктердің ықтималдық қоспасы болатын күйлерге айналмайды. Осы парадоксқа алаңдаған Жерар 'т Хоофт Хокинг сәулеленуінің шығарылуын егжей-тегжейлі талдады. Ол Хокинг сәулесі қашқанда, кіретін бөлшектер шығып бара жатқан бөлшектерді өзгерте алатынын атап өтті. Олардың гравитациялық өрісі қара тесіктің көкжиегін деформациялайды, ал деформацияланған көкжиек деформацияланбаған көкжиектен өзгеше шығып бара жатқан бөлшектерді жасайды. Бөлшек қара тесікке құлағанда, сыртқы байқаушыға қатысты жылдамдатылады, ал оның гравитациялық өрісі жалпыға ортақ форманы қабылдайды. 't Хоофт бұл өрістің қара тесіктің көкжиегінде логарифмдік шатыр тәрізді дөңес жасайтынын көрсетті, және көлеңке сияқты, бұл дөңес бөлшектің орналасуы мен массасының баламалы сипаттамасы болып табылады. Төрт өлшемді сфералық зарядталмаған қара тесіктің деформациясы, теориялық әлемдік парақта бөлшектердің эмиссиясы мен сіңірілуін сипаттайтын деформация түріне ұқсас. Жер бетіндегі деформациялар кіретін бөлшектің жалғыз іздері болғандықтан және осы деформациялар шығып бара жатқан бөлшектерді толық анықтауы керек болғандықтан, 't Хоофт қара тесіктің дұрыс сипаттамасы қандай да бір формадағы жіп теориясы болады деп сенді. Бұл идеяны Леонард Сускинд нақтылады, ол да дербес түрде голографияны дамытып келді. Сускинд қара тесіктің көкжиегінің тербелісі құлап түсетін және шығып жатқан материяның толық сипаттамасы болып табылады деп мәлімдеді, себебі жіп теориясының әлемдік парақ теориясы дәл осындай голографиялық сипаттама еді. Қысқа жіптердің энтропиясы нөлге тең болса, ол қарапайым қара тесіктердегі өте қозған жіптердің ұзақ күйлерін анықтай алды. Бұл үлкен жетістік болды, өйткені бұл жіптердің қара тесіктер тұрғысынан классикалық интерпретациясы бар екенін көрсетті. Бұл жұмыс кванттық гравитация ерекше теориялық сипаттамамен сипатталғанда қара тесік ақпарат парадоксының шешілетінін көрсетті. Кванттық гравитациядағы кеңістік-уақыт төмен өлшемді қара тесіктің көкжиегінің тербелісі теориясының тиімді сипаттамасы ретінде пайда болады және тек жіптер ғана емес, тиісті қасиеттері бар кез-келген қара тесік жіп теориясын сипаттаудың негізі ретінде қызмет ететінін көрсетеді. 1995 жылы Сускинд, әріптестері Том Бэнкс, Вилли Фишлер және Стивен Шенкермен бірге жаңа М теориясының тұжырымдамасын ұсынды, ол зарядталған нүктелі қара тесіктер, IIA типті жіп теориясының D0 брандері бойынша голографиялық сипаттаманы қолданады. Олар ұсынған матрицалық теорияны алғаш рет Бернард де Вит, Йенс Хоппе және Герман Николай 11 өлшемді супергравитацияда екі бранның сипаттамасы ретінде ұсынды. Кейінгі авторлар сол матрицалық модельдерді белгілі бір шектердегі нүктелі қара тесіктердің динамикасын сипаттау ретінде қайта түсіндірді. Голография оларға осы қара тесіктердің динамикасы М теориясының толық бұзылмайтын тұжырымдамасын береді деген тұжырым жасауға мүмкіндік берді. 1997 жылы Хуан Малдасена жоғары өлшемді объектінің алғашқы голографиялық сипаттамаларын берді, 3+1 өлшемді IIB типті мембрана, бұл өлшегіш теорияны сипаттайтын жіп сипаттамасын табудың ұзақ уақыт бойы тұрған мәселесін шешті. Бұл жетістіктер бір мезгілде жіп теориясының кейбір түрлерінің суперсимметриялық кванттық өріс теорияларымен қалай байланысты екенін түсіндірді.
Ақпарат тығыздығының шегі
Ақпараттық мазмұн – жүйенің белгілі бір микроқұйрылыста болу ықтималдығының кері шамасының логарифмі ретінде анықталады, ал жүйенің ақпараттық энтропиясы – жүйенің ақпараттық мазмұнының күтілетін мәні болып табылады. Энтропияның осы анықтамасы классикалық физикада қолданылатын стандартты Гиббс энтропиясына баламалы. Бұл анықтаманы физикалық жүйеге қолдану, белгілі бір көлемдегі берілген энергия үшін, сол көлемдегі материяны құрайтын барлық бөлшектердің орналасуы туралы ақпараттың тығыздығының (Бекенштейн шегі) жоғарғы шегі бар деген қорытындыға әкеледі. Атап айтқанда, берілген көлемде ол сақтай алатын ақпараттың жоғарғы шегі бар, одан әрі ол қара тесікке құлайды. Бұл материяның өзі шексіз көп рет бөлінбейтінін және негізгі бөлшектердің соңғы деңгейі болуы керектігін көрсетеді. Бөлшектің еркіндік дәрежесі – оның барлық кіші бөлшектерінің еркіндік дәрежесінің көбейтіндісі болғандықтан, егер бөлшек төменгі деңгейдегі бөлшектерге шексіз бөліністерге ие болса, бастапқы бөлшектің еркіндік дәрежесі шексіз болады, бұл энтропия тығыздығының максималды шегін бұзады. Осылайша, голографиялық принцип бойынша, бөліністер белгілі бір деңгейде тоқтауы керек. Голографиялық принциптің ең қатаң жүзеге асырылуы – Хуан Малдасенаның AdS/CFT сәйкестігі. Алайда, J. Дэвид Браун мен Марк Хенно 1986 жылы 2+1 өлшемді гравитацияның асимптотикалық симметриясы Вирасоро алгебрасын тудыратынын қатаң дәлелдеді, оның сәйкес кванттық теориясы – 2 өлшемді конформдық өріс теориясы.
Эксперименттік сынақтар
Фермилаб физигі Крейг Хоган голографиялық принцип кеңістіктегі орналасудың кванттық флуктуацияларын тудыратынын, бұл гравитациялық толқындарды тіркеу құралдарында, әсіресе GEO 600-де өлшенетін көзге көрінетін фондық шуға немесе "голографиялық шуға" әкелетінін мәлімдейді. Дегенмен, бұл талаптар кванттық гравитация зерттеушілері арасында кеңінен қабылданбады немесе сілтеме жасалмады және олар ішектік теория есептеулерімен тікелей қайшылықта болып көрінеді. 2011 жылы Еуропалық ғарыш агенттігі 2002 жылы ұшырған INTEGRAL ғарыш обсерваториясының 2004 жылғы ГРБ 041219А гамма сәулесінің жарылысын өлшеу талдауы Крейг Хоганның шуы 10−48 метр деңгейіне дейін байқалмайтынын көрсетті, бұл Хоган болжаған 10−35 метр және GEO 600 құралының өлшеулерінде анықталған 10−16 метр деңгейіне қарама-қарсы. 2013 жылға дейін Хоган басқаратын Фермилабта зерттеулер жалғасты. Якоб Бекенштейн үстел үстіндегі фотондық эксперимент арқылы голографиялық принципін сынаудың жолын тапқанын мәлімдеді.