Шум Крэйга Хогана
Гринч терпеть не мог шум, создаваемый крошечными жителями Ктограда [из фильма «Гринч — похититель Рождества»]. Космолог Крэйг Хоган [Craig Hogan, директор Центра Квантовой Астрофизики Фермилаб], напротив, стал очарован шумом, который, по его мнению, порождает что-то еще более мелкое — крошечная зернистость в структуре пространства-времени.
Назовем это — шумом Хогана. Многие физики отнеслись к нему скептически, но если подозрения о существовании этого «субатомного топота» окажутся верны, это может иметь уму непостижимые последствия: вся Вселенная не более чем гигантская голограмма.
Более того, это будет означать, что скоро может быть выявлена структура пространства-времени на субатомном уровне. «Новое тут то, что мы можем сделать прогноз и поставить эксперимент по измерению чего-то в наименьшем масштабе во Вселенной. Это то, что не было сделано раньше», заявил Хоган.
Существует вероятность того, что детектор, построенный в Ганновере для совершенно другого исследования, уже записал шум, создаваемый мельчайшими элементами пространства-времени во Вселенной.
Модель Хогана может привести к пересмотру представлений о пространстве-времени, говорит Бернард Шутц [Bernard Schutz, директор Института Гравитационной Физики имени Макса Планка]. Гипотеза Хогана предполагает, что информация, закодированная в крошечной части пространства-времени, может каким-то образом влиять на информацию, доступную наблюдателю из далекой-далекой области, что нарушает принцип локальности. Отход от принципа локальности может иметь решающее значение для попыток связать воедино квантовый мир — субатомный уровень — с Общей Теорией Относительности (ОТО), которая описывает структуру пространства-времени в самых крупных астрономических масштабах.
В большинстве моделей, которые пытаются применить квантовую теорию к пространству-времени, Вселенная зерниста, отмечает Шутц. Но эта зернистость обычно одинакова всюду в космосе. Напротив, модель Хогана предполагает, что зернистость неоднородна. Она укрупняется с расстоянием от наблюдателя до зерен в отдаленной части пространства-времени. Эта концепция «станет настоящей революцией» в области квантовой гравитации, говорит Шутц.
Голографические пиксели
Физики часто описывают пространство-время «пикселизированным», состоящим из мельчайших далее неделимых ячеек размером около 10-35 метров — одна десятитриллион триллионная диаметра атома водорода. Это слишком малая величина, чтобы быть обнаруженной непосредственно в эксперименте.
Хоган сочетает идею пикселизации пространства-времени с представлениями из теории струн и квантовой механики, что Вселенная эквивалент голограммы. Эти представления базируются на том, что поверхность, ограничивающая объем пространства, кодирует всю информацию, содержащуюся в этом объеме. Подобно тому, как голографический отпечаток на кредитной карте открывает третье измерение, так и воображаемая поверхность в пространстве-времени обнаруживает дополнительное измерение.
В квантовой теории положение каждой частицы определяется волновой функцией для описания вероятности нахождения частицы в определенном месте пространства. В модели Хогана каждая ячейка пространства-времни рассматривается как имеющая связанную с ней волнову функцию, что делает пространство размытым (положение частицы известно не точнее длины зерна/ячейки).
Зерно в отдельности слишком мало для измерений. При распространении волн в пространстве они интерферируют с волнами, распространяющимися в соседних зернах (соседних ячейках пространства-времени), создавая интерференционную картину — зону черных и белых полос — которая достаточна велика на отдаленном экране, чтобы быть измерена.
Согласно модели Хогана, чем больше голограмма, тем больше интерференционная картина. Если голограмма достаточно велика, то волны производят некоторого рода макроскопические искажения или шум, который может быть зафиксирован в относительно недорогом эксперименте.
Хоган совместно с Марком Джексоном [Mark Jackson, Лейденский Университет] изложили свои идеи в работе в прошлом году в журнале Physical Review D, Хоган также опубликовал свои последние работы в arXiv.org.
Если он прав, это станет прорывом в понимании квантового мира. Несмотря на десятилетия усилий физикам до сих пор не удалось объединить квантовую теорию с гравитацией. C 1950 года ученым удалось разработать квантовые теории для трех других фундаментальных взаимодействий — электромагнитных сил, сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны вместе, и слабого взаимодействия, ответственного за некоторые виды радиоактивного распада.
Большинство попыток квантования гравитации предполагают существование квантовых полей, подчиняющихся концепции локальности, которая предполагает, что событие в некоторой области пространства влияет только на происходящее в соседних областях. Например, изменение электрического поля в одном регионе пространства влияет только на поле в соседних областях. Но модель Хогана предполагает, что физики должны серьезно рассмотреть вопрос о теории квантовой гравитации, в которой две значительно отдаленные области пространства-времени влияют друг на друга, несмотря на расстояние, поясняет Шутц.
Однако, как и многие физики, Шутц сомневается в деталях модели Хогана, которые носят преимущественных концептуальный характер. Хоган, в свою очередь, признает, что его модель нефундаментальна — например, она не объясняет существование фундаментальной единицы длины (ячейки пространства) — но она предсказывает шум специфического типа, что может быть проверенно экспериментально.
Иллюзии
Гравитация была впервые связана с информацией в 1970 году, когда Стивен Хоукинг [Stephen Hawking, Кембридж] и Якоб Бекенштейн [Jacob Bekenstein, Иудейский Университет] осознали существование глубокой связи между термодинамикой и черными дырами. Согласно второму закону термодинамики, энтропия системы — мера связанная с количеством информации, содержащейся в системе — не может уменьшаться со временем. Хоукинг показал, что для того, чтобы это было правдой, черная дыра должна увеличивать свою энтропию на величину большую, чем энтропия падающих в нее тел.
Бекенштейн подсчитал, что энтропия черной дыры полностью определяется ее эффективной поверхностью или горизонтом событий, а не ее объемом. В 1990-е двое ученых значительно развили эту идею в «голографический принцип», который гласит, что объем пространства может быть полностью описан происходящим на его границах. Он впервые предложен Герардом 'т Хоофтом [Gerard ’t Hooft, нобелевский лауреат 1999 года, профессор Утрехтского университета], затем более строго изложен Леонардом Сасскиндом [Leonard Susskind, Стэнфорд] в соответствии с теорией струн.
Применение голографического принципа к реальному миру оказалось непростым. Трудно соотнести теорию об объеме пространства с, например, пятью измерениями, с более простой теорией о четырехмерной Вселенной, являющейся лишь границей или поверхностью этого пятимерного мира. Но в 1997 году Хуан Малдасена [Juan Maldacena, Принстон], используя теорию струн, показал, что существует взаимооднозначное соответствие между описанием объема пространства в теории c высшим числом измерений и гравитацией с теорией с меньшим числом измерений, где гравитация не играет роли и описывающей поверхность в этом пространстве (более подробно — Хуан Малдасена. Иллюзия гравитации. В мире науки №2 2006).
Рассмотрим еще раз предполагаемую Хоганом голографическую поверхность. Она состоит из ячеек, каждая из которых диной около 10-35 метров [если быть точным, речь о величине планковской длины 1,6*10-35]. Информация, зашифрованная на поверхности, соответствует числу планковских ячеек, ее покрывающих.
В соответствии с голографическим принципом, информация на поверхности должна быть точно такой же, как содержащаяся в объеме, ею ограниченном. Однако, это возможно, если объем более размыт (зернист), чем планковской длины ячейки поверхности. Иными словами, ячейки объема больше ячеек поверхности. Размытость информации, зашифрованной на поверхности, увеличивается в пределах объема, охваченного голограммой.
Хоган называет это увеличение «голографическим принципом неопределенности» и рассматривает его как расширение принципа неопределенности Гейзенберга. «Подобно тому, как Гейзенберг представил нам принцип неопределенности без полноценной квантовой теории, так и Хоган надеется, что голографический принцип неопределенности будет столь же важен для теории квантовой гравитации», отмечает Кристофер Герцог [Christopher Herzog, Принстон]
Больший размер ячеек, заключенных в объем, становиться заметным только на очень больших расстояниях от голографической поверхности, отмечает Хоган. Устройство, способное с высокой точностью измерить изменение длины в двух перпендикулярных направлениях на больших расстояниях от поверхности, может оказаться чувствительным к этому фундаментальному пределу кодирования информации, отмечает он.
Малдасена отмечает, что «теории квантово-механического пространства-времени, как теория струн, построены исходя из симметрии пространства-времени, как симметрия специальной теории относительности (СТО)». Хоган же, напротив, предлагает нарушить одну из основ СТО, что длина (и время) не являются абсолютными величинами и зависят от скорости наблюдателя.
Хоган соглашается с тем, что его теория голографического шума нарушает СТО, добавляя, что сама СТО не принимает во внимание квантовую природу пространства-времени. Пока еще неизвестная симметрия квантовой гравитации, вероятно, заменит некоторые принципы СТО, которая ломается в крошечных масштабах субатомного мира.
Из-за этих отступлений модель Хогана несовместима с голографическими идеями в теории струн. «Поэтому этот шум правильней назвать — шумом Хогана», - отмечает Малдасена.
Независимо от того как называть этот вид шума, по признанию Хогана, новая концепция объединяет элементы нескольких предыдущих идей. Так в 1999 году Джованни Амелино- Камелия [Giovanni Amelino-Camelia, Римский Университет] опубликовал исследование с выводом, что квантово-гравитационный шум может проявить себя в экспериментах с большими масштабами.
Шумовые эксперименты
Хоган рассчитывает, что в ходе двух экспериментов (одни из них находится на стадии планирования) могут быть получены доказательства существования «квантового топота».
Англо-немецкий проект GEO600 с 2002 года занимается поиском гравитационных волн, существование которых предсказано Общей Теорией Относительности (ОТО). Эксперимент, проведенный в Ганновере (Германия) не обнаружил эти волны, но часть зафиксированного проектом GEO600 сигнала может быть объяснена, по мнению Хогана, голографическим шумом.
GEO600, подобно некоторым другим детекторам гравитационных волн, использует лазер для измерения релятивистского сокращения длины в двух перпендикулярных руковах интерферометра. При прохождении гравитационной волны поочередно будет происходить расширение одного рукова при сжатии другого. Для сравнения и измерения длин рукавов используется лазерный луч, разделенный полупрозрачным зеркалом.
Из-за структуры эксперимента установка GE0600 оказалась более чувствительна к поперечным движениям светоделителя, чем другие большие детекторы гравитационных волн. Хоган утверждает, что необъяснимое поперечное движение светоделителя это следствие голографического шума, говорит руководитель проекта GEO600 Карстен Данцман [Karsten Danzmann, Университет Лейбница].
Еще около года назад Данцман и его коллеги считали, что необъяснимый шум записанный GEO600 мог быть шумом Хогана. Однако, в настоящее время большинство шумов в диапазоне от нескольких сотен герц до более 1000 герц отнесены на известные источники внутри детектора. «Вместе с тем, неопределенности в сигнале все еще достаточно, чтобы вместить сигнал, предсказанный Крэйгом Хоганом», - добавляет Данцман.
Характерная черта шума Хогана — это одинаковая интенсивность на всех частотах. Команда Данцмана в данный момент анализирует записи движения светоделителя на высоких частотах. В течение года она узнает соответствуют ли данные эксперимента прогнозам Хогана.
«Хоган дошел до главного — прогнозирования... фактической величины «шумовой аномалии», зарегистрированной на GEO600», - поясняет Амелино- Камелия. «Причина, по которой я фактически прекратил работы над предложенным мною квантово-гравитационным шумом, в том, что я не смог найти способ определить его характеристики».
Даже если на установке GEO600 будет получен сигнал, похожий на шум Хогана, потребуется более чувствительный эксперимент для обнаружения размытости, голографической природы пространства-времени, говорит Шутц.
По заявлению Хогана, такой эксперимент находится на стадии планирования в Фермилаб. Предполагается, что аппарат стоимостью в 2 миллиона долларов будет оснащен парой интерферометров, каждый из которых с двумя перпендикулярными рукавами по 40 метров. Первоначально два эксперимента будут поставлены рядом друг с другом, тестируя ключевое предсказание теории Хогана: шумы, записанные двумя соседними устройствами, должны коррелировать.
«Они двигаются вместе, потому что пространство-время, в котором они находятся, колеблется вокруг», - говорит Хоган. Если одно устройство сделало бы запись шума с атрибутами «квантового дрожания», не подтвержденную вторым устройством, то теория Хогана была бы исключена.
Если шум будет обнаружен, то следующим шагом будет раздвижение интерферометров все дальше друг от друга. На большом расстоянии корреляции между установками должны будут сократится до нулю, в соответствии с моделью Хогана.
Если все получится, то эксперимент даст первую информацию о мельчайших элементах пространства-времени.
