اگر گرانش واقعا ماهیتی هولوگرافیک داشته باشد، آیا آنچه ما فضا و جهان سه‌بعدی می‌نامیم، بنیادی است یا چیزی است که از ساختاری عمیق‌تر پدیدار می‌شود؟

گرانش؛ جایی که حجم و سطح دیگر کاملا متفاوت نیستند

یکی از عجیب‌ترین سرنخ‌ها از سیاه‌چاله‌ها آمد. در دهه‌های ۱۹۷۰، جیکوب بکنشتاین و استیون هاوکینگ نشان دادند که آنتروپی سیاه‌چاله با مساحت افق رویداد متناسب است، نه با حجم درون آن.

این نتیجه عجیب است، چون معمولا انتظار داریم مقدار اطلاعاتی که می‌توان در یک ناحیه جای داد، به حجم آن وابسته باشد. اما برای سیاه‌چاله، ظاهرا سقف اطلاعات با سطح مرزی تعیین می‌شود!

این ایده در دهه ۱۹۹۰ به شکل اصل هولوگرافیک صورت‌بندی شد؛ به این شکل که شاید اطلاعات مربوط به یک ناحیه سه‌بعدی از فضا بتواند به‌طور کامل با درجات آزادی روی یک سطح دوبعدی توصیف شود.
تشبیه هولوگرام هم از همین‌جا می‌آید؛ اما نکته مهم این است که بحث بر سر یک تصویر دوبعدی نیست که صرفا ظاهر سه‌بعدی ایجاد کند.
در نسخه جدی فیزیکی آن، دو توصیف می‌توانند از نظر اطلاعات فیزیکی کاملا معادل باشند!

اما #سیاه_چاله به‌تنهایی کافی نیست
از اینجا یک اختلاف تفسیری مهم شروع می‌شود.

برخی فیزیک‌دانان، از جمله لثام بویل، معتقدند نتیجه بکنشتاین‌‌ـ‌هاوکینگ الزاما به این معنا نیست که «داخل» فضا واقعا یک هولوگرام است. ممکن است دو نوع آنتروپی در مسئله دخیل باشند؛
یکی مربوط به تعداد حالت‌هایی که می‌توانند در حجم قرار بگیرند و دیگری #آنتروپی #درهم‌تنیدگی_کوانتومی که به ارتباط میان درجات آزادی دو سوی یک مرز مربوط است و با مساحت آن مرز ارتباط پیدا می‌کند.

بنابراین از آنتروپی متناسب با مساحت نمی‌توان به‌سادگی نتیجه گرفت که کل واقعیت سه‌بعدی روی یک سطح دوبعدی ذخیره شده است.

این تمایز مهم است؛ چون اصل هولوگرافیک هنوز یک واقعیت تجربی تایید شده درباره جهان ما نیست.

شاهد بسیار قوی‌تر یعنی هم‌ارزی AdS/CFT

دلیل مهم‌تر برای جدی گرفتن هولوگرافی، چیزی است که به تناظر AdS/CFT معروف است.

در یک فضای فرضی به نام فضای ضد دوسیتر یا AdS، می‌توان جهانی دارای گرانش را در نظر گرفت که مرزی در #بی‌نهایت دارد. در طرف دیگر این مرز، نظریه‌ای کوانتومی به نام نظریه میدان همدیس یا CFT قرار می‌گیرد که فاقد #گرانش است.

نکته خارق‌العاده این است که در چارچوب AdS/CFT، این دو توصیف از نظر ریاضی دو نظریه مستقل نیستند؛ بلکه دو توصیف معادل از یک سیستم فیزیکی‌اند.

یعنی یک نظریه شامل فضای سه‌بعدی + گرانش است که می‌تواند دقیقا با نظریه‌ای توصیف شود که، روی مرز دوبعدی + بدون گرانش تعریف شده است.

این دیگر صرفا یک تشبیه هولوگرافیک نیست. یک دوگانگی ریاضی بسیار دقیق است؛ و همین‌جا یکی از عمیق‌ترین نتایج این برنامه پژوهشی ظاهر می‌شود؛
شاید فضا و گرانش خودشان پدیده‌های بنیادی نباشند، بلکه از درجات آزادی کوانتومی عمیق‌تری پدیدار شوند.

آیا این یعنی جهان واقعا #دوبعدی است؟

نه. باید مراقب یک سوبرداشت بسیار رایج باشیم. ما در جهانی با انبساط شتاب‌دار زندگی می‌کنیم و هندسه کیهان‌شناختی جهان ما به فضای دوسیتر (de Sitter) نزدیک‌تر است، نه فضای ضد دوسیتر. AdS مرزی طبیعی دارد که در آن نظریه CFT تعریف می‌شود؛ اما فضای دوسیتر چنین مرز ساده‌ای ندارد.

بنابراین AdS/CFT به‌خودی‌خود تایید نمی‌کند که جهان واقعی ما هولوگرافیک است.

برخی پژوهشگران معتقدند شاید هولوگرافی ویژگی عمومی گرانش کوانتومی باشد و تفاوت میان AdS و جهان ما مانع اساسی نباشد.

برخی دیگر محتاط‌ترند و می‌گویند هنوز فاصله بزرگی میان یک دوگانگی دقیق در فضای AdS و نظریه‌ای برای کیهان واقعی وجود دارد.

اگر هولوگرافی واقعا بنیادی باشد، #واقعیت چه می‌شود؟

فیزیک وارد قلمرو فلسفه می‌شود.

سه امکان اصلی مطرح است.

نخست: درجات آزادی کوانتومی بنیادی‌اند و فضا از آنها پدیدار می‌شود. در این نگاه، جهان سه‌بعدی چیزی شبیه سطحی پدیدارشده از شبکه‌ای عمیق‌تر از اطلاعات کوانتومی است.
این ایده با برنامه‌ای که گاهی it from qubit نامیده می‌شود ارتباط دارد؛ چیز یا it، یعنی واقعیت فیزیکی، از واحدهای اطلاعات کوانتومی یا qubit پدیدار می‌شود.
در چنین تصویری حتی مفهوم فاصله ممکن است بنیادی نباشد.
یعنی شاید این‌طور نباشد که دو چیز چون از هم دورند، کمتر با هم برهم‌کنش می‌کنند؛
بلکه برعکس دو چیز چون درجات آزادی‌شان کمتر با هم درهم‌تنیده یا مرتبط‌اند، در توصیف پدیدارشده ما دور به نظر می‌رسند!
این ایده از نظر مفهومی واقعا تکان‌دهنده است، زیرا رابطه علت و معلولی میان فاصله و ارتباط را وارونه می‌کند.

امکان دوم: فضا واقعا بنیادی است؛ یعنی تناظر هولوگرافیک الزاما نمی‌گوید کدام توصیف واقعی‌تر است. ممکن است فضای سه‌بعدی و گرانش واقعا وجود داشته باشند و توصیف هولوگرافیک فقط یک بازنویسی کاملا معادل ریاضی از همان فیزیک باشد. در این حالت، جهان سه‌بعدی #توهم نیست. فقط می‌توان همان فیزیک را به زبان دیگری، روی سطحی با بُعد کمتر، بیان کرد. این تمایز بسیار مهم است؛
معادل بودن دو توصیف ریاضی برابر نیست با اثبات اینکه یکی از آنها توهم است.

امکان سوم؛ شاید هر دو توصیف بنیادی نباشند
و این شاید فلسفی‌ترین گزینه باشد.
ممکن است نه فضای سه‌بعدی گرانشی بنیادی باشد و نه گسطح کوانتومی؛ هر دوی آنها شاید توصیف‌های موثر یک نظریه عمیق‌ تر باشند که هنوز آن را نمی‌شناسیم.
مثل اینکه هم دنیای داخل یک بازی و هم تصویر روی صفحه، توصیف‌های متفاوتی از فرآیندهای بنیادی‌تر داخل سخت‌افزار باشند.

در این صورت هولوگرافی به ما نمی‌گوید واقعیت چیست؛ فقط رابطه دقیق میان دو توصیف غیر‌بنیادی را نشان می‌دهد.

عجیب‌ترین پیشنهاد است که شاید حتی فضا و زمان از هیچ‌گونه فضایی پدیدار شوند

چون برخی مدل‌های جدیدتر تلاش کرده‌اند ایده هولوگرافیک را برای فضای دوسیتر گسترش دهند.
در بعضی از این ایده‌ها، دیگر حتی یک سطح دوبعدی مناسب برای قرار دادن اطلاعات وجود ندارد و تمام درجات آزادی کوانتومی ممکن است به شکلی بسیار رادیکال‌تر در یک ساختار بدون بُعد فضایی ظاهر شوند. اما این بخش کاملا در قلمرو نظریه‌های در حال توسعه است.

فعلا نه نظریه‌ای کامل برای جهان واقعی در اختیار داریم و نه شواهد تجربی مستقیمی که نشان دهد جهان ما واقعا چنین ساختاری دارد.
و اگر فضا از چیزی غیر‌فضایی پدیدار شود، مسئله #زمان نیز بلافاصله مطرح می‌شود.

#نسبیت عام فضا و زمان را به یک ساختار واحد تبدیل کرده است؛ بنابراین اگر فضا پدیدارشونده باشد، طبیعی است که بپرسیم
آیا زمان هم پدیدارشونده است؟

در آن صورت احتمالا بنیادی‌ترین سطح واقعیت اصلا نه فضا داشته باشد و نه زمان! اما این فعلا یک پرسش باز است، نه یک نتیجه علمی.

➖➖
به نظر من(سام) ارزشمندترین قسمت این مقاله بالا جاییست که نویسنده بین فیزیک و ادعای هستی‌ شناختی فاصله می‌گذارد.
فیزیک الزاما نمی‌گوید آنچه واقعا وجود دارد چیست؟ بلکه می‌پرسد چه ساختار ریاضی‌ای می‌تواند رفتار مشاهده‌شده را با دقت پیش‌بینی کند؟

چون فکر می‌کنم این تمایز بالا، جلوی یک پرش فلسفی بسیار رایج را می‌گیرد؛ یعنی اینکه باعث می‌شود از این‌که یک نظریه کوانتومی دوبعدی دقیقا معادل یک نظریه گرانشی سه‌بعدی است، فورا نتیجه گرفته نشود که پس جهان واقعا دوبعدی است.

یعنی جلوی مغالطه انتقال از هم‌ارزی توصیف‌ها به واقعیت هستی‌شناختی را می‌گیرد.

حتی اگر روزی هولوگرافی برای جهان ما به‌طور کامل تایید تجربی شود، هنوز باید جداگانه توضیح دهیم که این هم‌ارزی درباره واقعیت بنیادی چه چیزی می‌گوید.

روی هم رفته، اصل هولوگرافیک از یک مشاهده عجیب درباره سیاه‌چاله‌ها آغاز شده. آنتروپی سیاه‌چاله با مساحت افق آن متناسب است.

سپس AdS/CFT نشان داده که در یک فضای خاص، این ایده بسیار عمیق‌تر است؛ یک نظریه گرانشی در یک حجم می‌تواند دقیقا با یک نظریه کوانتومی روی مرز آن معادل باشد.

از اینجا یک احتمال بسیار بزرگ شکل گرفته؛ اینکه شاید فضا و حتی گرانش چیزهای بنیادی نباشند، بلکه از ساختاری کوانتومی عمیق‌تر پدیدار شوند.

اما واقعا هنوز نمی‌دانیم این اصل برای جهان واقعی ما صادق است یا نه.
جهان ما از نظر هندسی شبیه فضای AdS نیست و هنوز نظریه هولوگرافیک کاملی برای کیهان دوسیتر در اختیار نداریم؛ و حتی اگر چنین نظریه‌ای ساخته شود، از نظر من هم باز یک سوال فلسفی باقی می‌ماند؛ اینکه آیا توصیف کوانتومی بنیادی‌تر از فضای سه‌بعدی است، یا فقط توصیف دیگری از همان واقعیت است؟

در عمیق‌ترین سطح، مسئله شاید دیگر این نباشد که جهان چندبعدی است؟ بلکه این باشد که خود مفهوم بُعد، فضا و زمان آیا ویژگی‌های بنیادی واقعیت‌اند یا ویژگی‌های emergentِ یا #برآمده یک ساختار عمیق‌تر؟

در همین نقطه است که این موضوع از یک مسئله فیزیک نظری به یکی از جدی‌ترین پرسش‌های فلسفه طبیعت تبدیل شده.


🔗Quantamagazine

🚀 @ofoghroydad

#هولوگرافی #اصل_هولوگرافیک #فیزیک_کوانتومی #گرانش_کوانتومی #فضا_زمان  #نظریه_ریسمان #درهم_تنیدگی_کوانتومی #اطلاعات_کوانتومی #کیوبیت #هستی_شناسی #فلسفه_فیزیک #فیزیک_نظری #فضای_دوسیتر #کیهانشناسی