Global Lithuanian Net: san-taka station: |
Holografinė Visata
Viskas, ką regim, tėra regimybė! Taip pat skaitykite Kelionės holografiniu principu Ši teorija Visatą laiko esant tarsi holograma kaip kad trimatis vaizdas gali būti pavaizduotas filmo kadre. Juodųjų skylių tyrimai rodo, kad tai visiškai įmanoma, nes maksimali bet kurios erdvės srities entropija apibrėžiama ne jos tūriu, o paviršiumi. Ji gali tapti naujos teorijos apie Visatą pagrindu. Informacija yra pagrindinis elementas bet kuriame moksle ar technologijoje. Robotas nieko nepadarys be įdėtos programos, ribosomai ląstelėje tiekiamos amino rūgštys kaip statybinė medžiaga ir ji gauna energiją ATP versdama ADP, tačiau ji negali sintezuoti proteinų
Kompiuterių diskų apimtys augo neįprastai sparčiai. Kada tai baigsis? Koks didžiausias informacinis tankumas tūrio vienete? Koks informacijos kiekis reikalingas aprašyti visai Visatai? Ar jis gali tilpti į kompiuterio atmintį? Ar pajėgsime, kaip brūkštelėjo nemirtingasis Viljamas Bleikas, pamatyti pasaulį smėlio smiltelėje? Teorinė fizika jau gali pateikti kai kuriuos atsakymus. Juodųjų skylių tyrimai leidžia spėti apie galimą informacijos tankį. Susiję rezultatai numato, kad mūsų trimatę Visatą galime užrašyti dvimačiame paviršiuje tarsi hologramą. Tad jei ne smiltelėje, tai bent jau LCD ekrane bus galima pamatyti pasaulį. Entropija Formalioji informacijos teorija gimė 1948 m. taikomosios matematikos atstovo Claude E. Shanon'o straipsniuose, kai buvo įvestas šiuo metu populiariausias informacijos turinio mato terminas entropija. Ilgą laiką šis terminas buvo naudotas termodinamikoje, kur populiariai aiškinant ji yra fizikinės sistemos netvarkos lygis. 1877 m. austrų fizikas Ludwig Boltzmann'as jį apibrėžė tiksliau kaip skirtingų mikroskopinių dalelių kiekį medžiagoje kad ši ir toliau atrodytų nepakitusi. Kai Šenonas susirūpino, kaip reikia skaičiuoti informacijos kiekį, tarkim, žinutėje, jis logiškai gavo formuluotę, panašią į Bolcmano. Šenonui žinutės entropija yra bitų (dvejetainių skaitmenų) kiekis reikalingas jai užkoduoti. Ši entropija nieko nesako apie tos informacijos vertę. Konceptualiai entropija termodinamikoje ir informatikoje yra tapačios. Tačiau yra ir svarbių skirtumų. Pirmiausia, termodinamikoje entropija yra išreiškiama energijos matavimo vienetais priklausomai nuo temperatūros, o Šenono entropija matuojama bitais, kurie neturi išmatavimų. Šis skirtumas tėra susitarimo reikalas. Tačiau net suvedus į bendrus matavimo vienetus, šių entropijų reikšmės dydžiu labai skiriasi. Silicio mikroschemos, talpinančios 1 GB duomenų, Šenono entropija yra apie 1010, - t.y. be galo nedidelė lyginant su mikroschemos termodinamine entropija lygia apie 1023. Toks skirtumas susidaro, nes entropijos skaičiuojamos skirtingiems laisvės laipsniams (laisvės laipsnis yra skaitinės reikšmės kitimo ribos). Šenono entropija atsižvelgia tik į bendrą ant silicio kristalo esančių tranzistorių būsenų skaičių. Tranzistorius gali turėti tik dvi būsenas, 0 ir 1 tad laisvės laipsnis tėra du. Termodinaminė entropija atsižvelgia į visų mikroschemos atomų galimas būsenas. Ir kuo mažesnius tranzistorius sugebama pagaminti, tuo Šenono entropija artimesnė termodinaminei entropijai. Koks aplamai yra didžiausias galimas laisvės laipsnis? Atomai sudaryti iš elektronų ir branduolių, branduoliai yra protonų ir neutronų darinys, o šie savo ruožtu sudaryti iš kvarkų. Šiais laikais nemažai fizikų elektronus ir kvarkus laiko superstygų vibracijų dariniais. Tačiau nuojauta sako, kad apsiriboti šiuo lygiu nereiktų. O išmatuoti tikrosios entropijos reikšmės nežinant giliausių materijos struktūrų prigimties negalima. Juodųjų skylių termodinamika
Juodosios skylės yra A. Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos padarinys. Joje gravitacija atsiranda iš erdvėlaikio išsikreivinimo, verčiančio objektus judėti tarsi tie būtų stumiami jėgos. Iš kitos pusės, tą iškreivinimą sukelia materijos ir energijos egzistavimas. Pagal Einšteino lygtis, nepaprasta tanki materijos ar energijos koncentracija gali taip iškreipti erdvėlaikį, kad šis užsilenks sudarymas juodąją skylę. Reliatyvumo dėsniai neleidžia niekam, kas patenka į ją, išsiveržti į išorę bent jau klasikinės fizikos (ne kvantinės mechanikos) prasme. Taškas, nuo kurio jau negalima sugrįžti, vadinamas juodosios skylės horizontu ir yra ypatingai svarbus. Paprasčiausiu atveju tai sfera. Neįmanoma nustatyti, kas yra juodosios skylės viduje. Jokia informacijos iš ten negali prasiveržti. Tačiau, prieš dingdama juodojoje skylėje, materija palieka šiokius tokius pėdsakus. Jos energija atsispindi juodosios skylės masėje. Jei materija pagauta besisukant apink juodąją skylę, jos sukimosi momentas sumuojamas su juodosios skylės sukimosi momentu. Abu šie aspektai yra išmatuojami pagal poveikį aplinkiniam erdvėlaikiui. Energijos ir sukimosi momento išsaugojimo dėsnis tebegalioja. Tačiau antrasis termodinamikos dėsnis, atrodo, joms nevisiškai tinka. Jis apibendrinai tą faktą, kad dauguma procesų gamtoje negali būti atvirkštiniai. Puodukas nukrenta nuo stalo ir sudūžta, tačiau niekas nematė puoduko, susirenkančio iš šukių. Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad izoliuotų sistemų entropija negali mažėti. Geriausiu atveju entropija tegali likti pastovi. J. Wheeler'is pirmasis pabrėžė, kad materijai dingstant juodojoje skylėje jos entropija pagerėja. 1970 m. Demetrious Christodoulou ir Stephen W. Hawking'as nepriklausomai vienas nuo kito parodė, kad kai kuriuose procesuose, tokiuose kaip juodųjų skylių susijungime, bendrasis horizonto plotas niekada nemažėja. 1972 m. J. Bekenstein'as pasiūlė, kad juodosios skylės entropija proporcionali jos horizonto sferai, kad, kai materija krenta į juodąją skylę, juodosios skylės entropijos padidėjimas visada kompensuoja prarastą materijos entropiją. Kitaip sakant, juodosios skylės entropijų suma ir įprastinė entropija juodosios skylės išorėje negali sumažėti. Tai vadinamasis Apibendrintas antrasis dėsnis (AAD). AAD atlaikė daugelį teorinių patikrinimų. Kai žvaigždė sprogsta sudarydama juodąją skylę, juodosios skylės entropija gerokai viršija pradinės žvaigždės entropiją. 1974 m. S. Hokingas parodė, kad juodoji skylė dėl kvantinių procesų savaime skleidžia terminį spinduliavimą, dabar vadinamą Hawking spinduliavimu. Christodoulou-Hawking teorema neveikia šiuos atveju (mat juodosios skylės masė, taigi ir jos horizontas, sumažėja), tačiau AAD su juo susidoroja skleidžiamo spinduliavimo entropija daugiau nei reikia kompensuoja juodosios skylės entropijos sumažėjimą. 1986 m. R. D. Sorkin išnagrinėjo horizonto vaidmenį uždarant informaciją viduje nuo išorinių poveikių siekdamas parodyti, kad AAD (arba kažkas panašaus) turi galioti visiems vykstantiems procesams. Hawking'o spinduliavimas leido jam nustatyti santykį tarp juodosios skylės entropijos ir horizonto ploto juodosios skylės entropija yra lygiai ketvirtis horizonto, matuojant Planko konstantos (lygių apie 10-33 cm) kvadratais (plotas). Taigi juodosios skylės entropija yra milžiniška 1 cm skersmens juodosios skylės entropija yra apie 1066 bitų. Pasaulis kaip holograma AAD leidžia mums nustatyti ribas bet kurios izoliuotos sistemos informacinei talpai. 1995 m. L. Susskind'as pasiūlė holografinę talpą, apibrėžiančią, kiek entropijos gali sutalpinti materija ir energija, užimančios tam tikrą tūrį. Imkime sferos formos kūną, kurio paviršiaus plotas yra A. Jei jis gali susitraukti į juodąją skylę, šios horizontas bus mažesnis nei A. Todėl ir juodosios skylės entropija bus mažesnė nei A/4, nes pagal AAD, sistemos entropija negali mažėti. Iš čia izoliuotos sistemos, ribojamos paviršiumi A, entropija būtinai mažesnė už A/4. Dabar galima bandyti atsakyti į klausimus apie informacijos laikmenos maksimalią talpą. 1 cm skersmens lustas gali talpinti iki 1066 bitų. Visa regima Visata sudaro apie 10100 entropijos bitų, kurią, iš esmės, būtų galima sutalpinti į 1/10 šviesmečio skersmens sferą. Suprantant, kad entropija yra sunki problema ir skaičiai gali būti gerokai didesni, tikėtina, kad informacijai sutalpinti reiks Visatos dydžio sferos. Tačiau yra dar vienas aspektas. Juk maksimali entropijos reikšmė priklauso nuo paviršiaus, o ne nuo tūrio. Įsivaizduokime, kad į krūvą sumetėme atminties mikroschemas. Tranzistorių kiekis didėja kartu su tos krūvos tūriu. Kaip ir termodinaminė visų mikroschemų entropija. Čia reikia pabrėžti, kad teoriškai maksimali informacijos talpa didėja tik didėjant krūvos paviršiaus plotui. Kadangi tūris didėja sparčiau nei paviršius, tam tikru momentu visų mikroschemų entropija viršys holografinę talpą. Atrodo, kad arba AAD, arba mūsų entropijos ir informacijos supratimas yra klaidingas. Tačiau visa tai susiję su pačia krūva pasiekusi kritinę ribą, ji susitrauks nuo savo pačios gravitacijos į juodąją skylę. Po to kiekviena papildoma atminties mikroschema didins šios juodosios skylės masę ir paviršių, taip palaikydama AAD. Šis faktas, kad informacinė talpa priklauso nuo paviršiaus ploto, natūraliai paaiškinamas, jei holografinis principas (kurį 1993 m. pasiūlė Nobelio premijos laureatas G. Hooft'as) yra teisingas. Tada informaciją apie objektą galima gauti analizuojant jo kraštą (balką). Pvz, informacija apie rutulį (dvimačio trimatėje erdvėje) gaunama ant jo krašto (dvimatės sferos, apibrėžiamos tik dviem parametrais: platuma ir ilguma), kai pats rutulys išorinio stebėtojo požiūriu yra trimatėje erdvėje.
Ar galima holografinį principą pritaikyti visai Visatai? Tikroji Visata yra keturmatė, nes apima ir laiką. Kokį paviršių turėtume naudoti šiuo atveju? Pradžioje reiktų patyrinėti paprastesnį modelį nei mūsų Visata Paimkime vadinamuosius anti-de Sitter erdvėlaikius. Pirmąkart de Sitter visatos modelį 1917 m. pasiūlė olandų astronomas Willem de Sitter'is kaip galimą Einšteino lygčių sprendinį. Jame naudojama ir atostūmio jėga vadinama kosmologine konstanta. De Sitter erdvėlaikis yra tuščias, greitėjančiai besiplečiantis ir labai simetriškas. Astronomai 1997 m., tirdami tolimus supernovų sprogimus, nusprendė, kad mūsų Visata plečiasi su pagreičiu ir, tikriausiai, ateityje taps panaši į de Sitter erdvėlaikį. Jei atostūmio jėgą Einšteino lygtyse pakeistume jį traukos, gautume anti-de Sitter erdvėlaikį, kuris tokiu pat lygiu būtų simetrinis. O iš holografinės koncepcijos taško jis, kažkur begalybėje, turi kraštą ir savo principais artimas mūsų erdvėlaikiui. Remdamiesi šiuo modeliu, teoretikai sukonstravo pavyzdį: superstygų teorija aprašoma visata anti-de Sitter erdvėlaikyje visiškai atitinka kvantinio lauko, veikiančio ant to erdvėlaikio krašto, teoriją. Pirmasis tokį sąryšį penkiamačiam anti-de Sitter atvejui 1997 m. suformavo Juan Maldaena, o vėliau patvirtino Edward Witten'as, Steven S. Gubser'as, Igor R. Klebanovas ir Aleksandras Poliakovas. Šiuo metu tokie pavyzdžiai sukonstruoti daugeliui matavimų. Tai rodo, kad dvi visiškai skirtingos teorijos yra ekvivalenčios. Būtybės, gyvenančios vienoje šių visatų, negali nustatyti, ar jos gyvena penkiamatėje superstygų aprašomoje visatoje ar keturmatėje kvantinio lauko teorijos aprašomoje visatoje. Holografinis tapatumas leidžia sudėtingus skaičiavimus keturmačiame erdvėlaikyje (pvz., kvarkų ir gliuonų elgsenos) pakeisti paprastesniais skaičiavimas simetriškame penkiamačiame anti-de Sitter erdvėlaikyje. E. Witten'as parodė, kad juodoji skylė anti-de Sitter erdvėlaikyje atitinka karštajam spinduliavimui alternatyvioje fizikoje paribio erdvėlaikyje. Tad paslaptingoji juodųjų skylių entropija yra tapati įprastiniai spinduliavimo entropijai. Tačiau jūsų reali Visata artimesnė vadinamajai Friedmann-Robertson-Walker (FRW) visatai, kuri begalinė, be ribų ir amžinai besiplečianti. Šiuo atveju holografinis principas yra neišlaikomas. Tačiau 1999 m. Raphael Bousso pasiūlė modifikuotą holografinį kraštą. Paimkime bet kurį dvimatį paviršių nesvarbu, ar uždarą kaip sfera ar atdarą kaip popieriaus lapas. Įsivaizduokime statmenai nuo jo vienos pusės viso ploto sklindančią šviesą. Vienintelis reikalavimas, kad spinduliai susikirstų viename taške. Šviesa, sklindanti nuo vidinio sferos paviršiaus tenkina šią sąlygą. Tada Bousso išvedė, kad materijos ir spinduliavimo entropija (iki spinduliams susikertant) negali viršyti paviršiumi išreikštos entropijos (ketvirčiu ploto, išmatuoto Planko konstantos kvadratais). Bousso koncepcija kalba daugiau ne apie tam tikros srities entropiją vienu kartu, o apie entropijų sumą daugeliu kartų apšviestų spindulių, sklindančių nuo paviršiaus. Buvo pasiūlyta ir daugelis kitų holografinio pakraščio variantų. Tai rodo, kad 50 m. vyravęs požiūris, kad lauko teorija yra galutinis žodis, turi pasikeisti. Laukai, kaip ir superstygos, leidžia begalinį laisvės laipsnį. Tuo tarpu holografija riboja laisvės laipsnius. Ji gali būti šaukliu tobulesnei teorijai. Nacionalinės E. Fermi laboratorijos (Fermilab) mokslininkai 2016 m. paskelbė Holometer eksperimento rezultatus jiems
nepavyko aptikti holografinės visatos požymių. Beje, visi matavimai buvo atliekami ties aparatūros tikslumo riba. O gal vis tik? Hologramos yra vaizdai, atrodantys trimačiais, tačiau sukurti dvimačių paviršių. Visatos atveju tai
susiveda į idėją, kad tai, kas vyksta Visatoje, yra apibrėžta tuo, kas vyksta dvimačiame jos krašto
Kad geriau suprastume idėją, pažvelkime į piešinį. Tai apskrtimas su daugeliu linijų jame. Jos jungia apskritimo taškus. Tačiau linijos nusakymui nebūtina brėžti pačių linijų pakankama nurodyti jos galų taškus. Net jei linijas stumdome, jų judėjimą galima nusakyti jų galų taškų pokyčiais. Toji idėja neatsirado iš nieko ji kilo nagrinėjant juodąsias skyles. Jos turi kraštą, kuris vadinamas jų horizontu. 8-me dešimtm. paaiškėjo, kad juodosios skylės turimas informacijos kiekis (tiksliau, jos entropija) gali būti nustatytas išmatuojant jos horizonto plotą. Vėliau fizikai pradėjo spėti, kad tai teisinga ir įprastinėms erdvės sritims. 1997-ais šio klausimo tyrinėjimai įkvėpė Chuanas Maldakeną sukurti žaislinę (matematinę) visatą, kuri būtų pilnai apibrėžiama savo kraštu. Ši visata irgi turi el. daleles, tačiau šios turi savo atitikmenis ant visatos krašto. Tad bet koks reiškinys tokioje visatoje gali būt apibrėžtas įvykiu ant jos krašto. Tik čia reikia paminėti svarbią ypatybę Maldakenos pasaulio krašto pasaulis aprašomas kvantinio lauko teorija. O juk ši neapima gravitacijos o tai Maldakenos pasaulį daro dar patrauklesniu, mat vidinis žaislinės visatos pasaulis neturi gravitacijos. Taigi, jame gravitacija kyla .... holografiškai. Vis tik Maldakenos pasaulis labai skiriasi nuo mūsiškio. Tačiau fizikai ėmė kelti teorijas, kurias galima būtų taikyti mūsų pasauliui. Tokie modeliai išnagrinėti minėtoje apžvalgoje, kurį atliko Kosto Skenderio komanda. Ji tyrė, kaip holografiniai modeliai gali veikti mikrobanginį kosminį spinduliavimą ir padarė išvadą, kad holografinis principas gali būti labai priimtinas jo paaiškinimui. Parengė Cpt.Astera's Advisor Literatūra
Pastabos: 1) Robertas Kunas (Robert Lawrence Kuhn, g. 1944 m.) verslo strategas, investicijų bankininkas ir viešas intelektualas, ilgalaikis Kinijos vyriausybės patarėjas. Jis yra TV serialo Arčiau tiesos (nuo 2000 m. iki šiol) kūrėjas ir vedėjas; jame iškilūs mokslininkai ir filosofai aptardavo fundamentalius klausimus ypač kosmoso, sąmonės ir religijos filosofijos temomis. Jo esė apie informaciją, laiką ir Visatą skelbtos space.com svetainėje. 2) Džonas Leslis (John Andrew Leslie, g. 1940 m.) Kanados filosofas. Jis specializavosi egzistencijos išaiškinimuose. Jo Visatos (1989) - filosofinė daugybinių visatų teorijos apžvalga. 3) Džordžas Geršvinas (George Gershwin, tikr. vardas Jacob Gershowitz, 1898- 1937) - amerikiečių kompozitorius ir pianistas. Labiausiai jį išgarsino 1924 m. sukurta Rapsodija bliuzo stiliuje koncertas fortepijonui ir simfoniniam orkestrui bei miuziklas Ponia, būk gera. Kūriniuose derino afroamerikietiško džiazą ir europietišką muziką. 1935 m. sukūrė reikšmingiausią realistinį kūrinį scenai Porgis ir Besė, tapusį nacionaline amerikiečių opera. 4) Nikas Bostromas (Niklas Boström, g. 1973 m.) švedų filosofas, Oksfordo un-to profesorius. Žinimas darbais apie antropinį principą ir rizikas, susijusias su super-protingu dirbtiniu intelektu. Dažnai pasirodo medijoje aptariant transhumanizmo klausimus. 2004 m. kartu su Dž. Hjuzu įsteigė Etikos ir naujųjų technologijų inst-tą. Taip pat yra Būsimos žmonijos int-to (Oksfordo un-te) direktoriumi. Parašė knygas Antropinis šališkumas: stebėjimo pasirinkimo efektai moksle ir filosofijoje (2002) ir Superprotas: keliai, pavojai, strategijos (2014) ir kt. Papildomai skaitykite:
|