آیا نظریه هولوگرافی سابرینا پاسترسکی او را انیشتین بعدی می سازد؟

یک روز باد در لندن است که در حاشیه یک کنفرانس با فیزیکدان سابرینا پاسترسکی ملاقات می کنم - که به نظر می رسد یک مشکل است. توافق کرده بودیم که در یک چادر گپ بزنیم، اما بوم آنقدر بلند تکان می خورد که به سختی صدای همدیگر را می شنویم. در پایان به سالن کلیسای مجاور عقب نشینی می کنیم.

اما دوباره، شاید این مکان ویژه به طرز عجیبی مناسب باشد. پاسترسکی به من می‌گوید که کار او در چند درب پایین‌تر در مورد بهشت ​​آهنگ می‌خواند - و با مفهوم مسیحی تثلیث مقدس، یعنی این ایده که خدا سه شخص در یک است، مشترک است.

پاسترسکی با اشاره به یکی از اصول اصلی کارش به من می گوید: «دوگانگی تقریبا مانند تثلیث است. من مذهبی نیستم، اما کاتولیک بزرگ شده ام.

این مقدمه ای نیست که انتظار داشتم برای تحقیقات پاسترسکی، ایده ای ظریف و پیچیده که به هولوگرافی آسمانی معروف است، که به دنبال نشان دادن این است که چگونه دو توصیف جداگانه در فیزیک می توانند معادل باشند. اما با توجه به اینکه او را اغلب در مطبوعات با اشاره به شعور خشنش «انیشتین بعدی» می نامند، من هیجان زده هستم که بدون توجه به مکان برگزاری، سعی می کنم ذهنم را حول کار او بپیچم.

این کمک می کند که با دو رکن کلیدی فیزیک شروع کنید. از یک طرف، نسبیت عام، نظریه گرانش آلبرت انیشتین وجود دارد، که عنصر اصلی آن یک پارچه انحنای هموار از فضا-زمان است. از سوی دیگر، نظریه کوانتومی به طرز شگفت‌انگیزی دنیای ذرات را توضیح می‌دهد و واقعیت را به‌هیچ‌وجه صاف و هموار تصور نمی‌کند، اما در عوض به صورت تکه‌هایی با مقادیر مجزای انرژی عرضه می‌شود. کافی است بگوییم که هر دو اساسا ناسازگار هستند.

عزیزترین آرزوی بسیاری از فیزیکدانان این است که راهی برای یکی کردن این دو بیابند و بدین ترتیب نظریه گرانش کوانتومی تولید کنند. این همان چیزی است که خوان مالداسینا در سال 1997 زمانی که نوع هیجان انگیزی از دوگانگی را پیشنهاد کرد، تلاش می کرد.

یک استوانه سه بعدی از فضا-زمان را با سطحی دو بعدی تصور کنید. Maldacena مدلی شبیه به این ساخت که در آن، در داخل حجم استوانه، توصیفی از فضا، زمان، ذرات، گرانش - مقدار زیادی وجود دارد - اما سطح کاملا کوانتومی است. اما نکته مهم اینجا بود: او نشان داد که دو توصیف مدل - سطح و حجم داخلی - معادل هستند. آنها دوگانگی بودند، دو توصیف قابل ترجمه از یک چیز.

به عبارت دیگر، این نشان می‌دهد که جهان مانند یک هولوگرام است: واقعیتی که ما در آن زندگی می‌کنیم صرفا می‌تواند طرحی از یک پایه ساده‌تر و با ابعاد پایین‌تر باشد.

همه خیلی هیجان انگیز تنها مشکل این بود که ایده Maldacena - که به عنوان مکاتبات AdS/CFT شناخته شد - فقط برای نوع خاصی از فضا-زمان منحنی کار کرد. و این همان نوع "مسطحی" نیست که ما واقعا در آن زندگی می کنیم. به ناچار، فیزیکدانان از خود می پرسیدند که آیا این ترفند می تواند برای جهان واقعی کار کند یا خیر. بیرون کشیدن آن به طرز شیطانی سخت بوده است، اما این همان چیزی است که هولوگرافی آسمانی نوید می دهد.

با ملاقات با پاسترسکی، واضح است که او مغز بسیار خوبی دارد. آنقدر سریع صحبت می کند، انگار زمان در حال تمام شدن است. و همانطور که او صحبت می کند، ژست می دهد، سطح انرژی به آسمان بالا می رود زیرا ناخن های ژل تیز هوا را بین ما خراش می دهند. تصور من این است که او سریعتر از یک فرد معمولی اطلاعات را پردازش می کند. من با این سوال شروع می کنم که او چه احساسی نسبت به برچسب انیشتین بعدی دارد؟ او با لبخند می گوید: "این مزخرف است." اول از همه، فکر نمی‌کنم لیاقتش را داشته باشم. نکته مثبتی که اکنون سعی می‌کنم آن را به آن تبدیل کنم این است که تبلیغات به شما یک پلتفرم می‌دهد.»

به نظر می رسد که این انرژی او را از کودکی هدایت کرده است. او در جوانی به والدینش گفت که یک جارو پرنده می خواهد. در پاسخ، آنها برای او درس پرواز گرفتند. در 12 سالگی، او شروع به ساخت هواپیمای خود از یک کیت کرد و در 16 سالگی، می‌توانست با آن پرواز کند. او رویای کار برای Blue Origin، Virgin Galactic یا SpaceX را در سر داشت و بنیانگذاران آن شرکت ها را به عنوان قهرمان می دید.

به عنوان یک جوان، نسخه او از شورش این بود که پس از آن مخالف این ایده بود - «شما اساسا فقط به آنها کمک می‌کنید چیزهایشان را بسازند» - و تصمیم گرفت در عوض در رشته مهندسی هوافضا، بلکه در فیزیک در مؤسسه فناوری ماساچوست تحصیل کند.

پاسترسکی جوان‌تر که در هواپیمایش کار می‌کند

نمی دانم آیا این بنیانگذاران فناوری هنوز هم قهرمانان او هستند؟ او می گوید که او همیشه از جف بزوس قدردانی خواهد کرد. او در کودکی او را تشویق کرد و یک "نامه خوب" نوشت. اما وقتی صحبت از ایلان ماسک به میان می‌آید، او محتاط‌تر است و به این سو و آن سو می‌رود. او می‌گوید: «افراد بیشتری عیب‌های [او] را دیده‌اند، و با این حال او کارهای جالب زیادی انجام داده است. اما این واقعیت که "کسی مثل او می تواند همه کارهای جالب را انجام دهد" این سوال را ایجاد می کند که "چرا ما نمی توانیم؟"

پاسترسکی در حوالی سال 2018 در دوره دکترای خود با اندرو استرومینگر در دانشگاه هاروارد شروع به ایجاد برخی از پایه های ریاضی برای هولوگرافی آسمانی کرد، اما اکنون در موسسه Perimeter در انتاریو، کانادا کار می کند. فرضیه پاسترسکی با برخورد ذرات آغاز می شود. او تصور می‌کند که زباله‌ها در همه جهات پاشیده می‌شوند و هر تکه ترکش کوانتومی را می‌توان به‌عنوان نقطه‌ای روی کره‌ای بی‌نهایت دور، همراه با اطلاعاتی مانند انرژی علامت‌گذاری کرد. پاسترسکی این کره را اساسا شبیه آسمان شب می‌داند.

او می گوید: "شما ستاره ها را می بینید، آنها را بی نهایت دور تصور می کنید، مانند یک کره در اطراف شما." "آن کره دوبعدی، کره آسمانی است."

هولوگرافی آسمانی به جای دست و پنجه نرم کردن با آشفتگی در وسط، کل جهان را از الگوی نوشته شده در اطراف لبه بازسازی می کند. شما می توانید آن را مانند یک نسخه جدید و بهبود یافته از ایده Maldacena در نظر بگیرید، به جز با کره ای که این بار با فضای واقعی ما مطابقت دارد. حداقل تقریبا. پاسترسکی اذعان می کند: «من هم تقلب می کنم. ما می دانیم که فضای واقعی با سرعت بیشتری در حال گسترش است، اما فضای او اینطور نیست.

طی چند سال گذشته، پاسترسکی در حال توسعه روش هایی برای ترجمه بین مرز کره و فضای واقعی بوده است. در ابتدا، تمرکز بر مدل‌سازی نحوه رفتار ذرات منفرد بود، اما او و جاستین کالپ در دانشگاه استونی بروک در نیویورک اخیرا گام بزرگی برای نشان دادن نحوه انجام این کار برای ذرات متعدد برداشته‌اند.

او همچنین در حال بررسی مفهوم درهم تنیدگی، فرآیند کوانتومی اسرارآمیز است که در آن دو ذره می‌توانند به هم متصل شوند تا اگر یکی را اندازه‌گیری کنید، فورا چیزی در مورد شریک آن استنباط کنید - حتی اگر آنها بسیار از هم دور باشند. در AdS/CFT، فیزیکدانان نشان داده‌اند که درهم‌تنیدگی بین ذرات کوانتومی در مرز می‌تواند مستقیما دنیای کامل‌تری را که ما تجربه می‌کنیم ایجاد کند. در هولوگرافی آسمانی، همه چیز پیچیده تر است. پاسترسکی می گوید: «این واقعا در AdS/CFT به خوبی قابل درک است. "تعمیم به فضای مسطح سخت تر است."

یکی از دلایل دشوار بودن آن این است که نگه داشتن قسمت مرزی هولوگرافی آسمانی عاری از گرانش دشوار است – این یک دیوار منظم از یک جعبه یا یک استوانه مانند آنچه در تئوری Maldacena است نیست، بلکه یک کره است که بینهایت دور است. این موضوع ریاضیات را آشفته تر می کند. اما پاسترسکی و همکارانش شروعی به بررسی آن کرده‌اند، به‌ویژه ارتباط بین درهم‌تنیدگی موجود در مرز کره و هندسه فضا-زمان تخت.

در مدل‌هایی که آنها مطالعه کردند، منطقه فضای مسطح با کاهش درهم تنیدگی در مرز در مقایسه با آنچه که هنگام استفاده از AdS/CFT به دست می‌آورید مرتبط بود.

ایده اصلی پشت هولوگرافی آسمانی این است که بین دنیایی که ما تجربه می کنیم و "سایه ای" که بر روی سطحی دو بعدی می اندازد، معادلی وجود دارد.

پاسترسکی به فهرستی از محدودیت‌ها، قوانین و معادلات اشاره می‌کند که او به عنوان «گرامر» برای هولوگرافی آسمانی ایجاد کرده است. در حالی که کار بر روی فرهنگ لغت ترجمه فیزیک چهار بعدی به توصیف مرز دو بعدی به سرعت در حال پیشرفت است، هنوز چیزهایی وجود ندارد.

این چیزهای هولناکی است و من مشتاقم بدانم آیا هر یک از اینها قابل آزمایش است یا خیر. آزمایش تئوری‌های بالقوه گرانش کوانتومی بسیار دشوار است، گاهی اوقات به برخورد دهنده‌های ذره‌ای آنقدر قدرتمند نیاز دارند که به سادگی قابل ساخت نیستند. با این حال، پاسترسکی راه های ممکن دیگری برای کاوش هولوگرافی آسمانی اندیشیده است.

اگرچه این فرضیه معمولا با برخورد ذرات سروکار دارد، اما کلی تر از آن است. پاسترسکی می گوید: «ممکن است برخورد سیاهچاله ها باشد. هنگامی که سیاهچاله ها با هم برخورد می کنند، موج هایی در فضا-زمان ایجاد می کنند که امواج گرانشی نامیده می شوند. دانشمندان بر این باورند که وقتی این امواج از مناطقی از کیهان عبور می کنند، اعوجاج های کوچک اما دائمی در فضا-زمان به جا می گذارند.

حدود یک دهه پیش، پاسترسکی و همکارانش توسعه‌ای برای این ایده به نام اثر حافظه چرخشی ایجاد کردند. این نشان می‌دهد که فضا-زمان تحریف‌شده نیز نشانی از تکانه یا چرخش زاویه‌ای موج گرانشی دارد. و این، به نوبه خود، می‌تواند مستقیما به یکی از فرضیه‌های اصلی پاسترسکی در مورد نحوه عملکرد اشیا در مرز ترجمه شود، که به طور بالقوه بین چیزی در جهان 4 بعدی ما و هولوگرافی آسمانی پیوند می‌دهد.

به طور هیجان انگیزی، آشکارسازهای فضایی مانند رصدخانه امواج گرانشی LISA، که انتظار می رود ظرف یک دهه به فضا پرتاب شوند، می توانند شواهدی از اثر حافظه چرخشی پیدا کنند.

احتمال دیگر برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در آزمایشگاه فیزیک ذرات سرن در نزدیکی ژنو، سوئیس است. ترفند در اینجا این است که آشکارسازهای LHC مانند CMS را به عنوان یک کره هولوگرافیک در نظر بگیرید. او می‌گوید: «نوعی چیز جالب در مورد چارچوب ما این است که می‌توانیم در مورد [مرز در] بی‌نهایت صحبت کنیم که به معنای واقعی کلمه آشکارساز CMS است یا می‌تواند مانند LISA باشد». "اما شما باید تنظیم کنید زیرا هندسه آشکارساز دقیقا مانند یک کره نیست." این بدان معناست که فیزیکدانان می‌توانند روی داده‌های برخورددهنده حفره‌ای داشته باشند و سعی کنند الگوهایی را که دستور زبان آسمانی او پیشنهاد می‌کند، تشخیص دهند.

برای مثال، پیشنهاد می‌کند که باید یک الگوی هندسی در نحوه توزیع انرژی در هنگام برخورد ذرات وجود داشته باشد.

یک چیزی که من همیشه در مورد فیزیکدانانی که روی هولوگرافی کار می کنند تعجب کرده ام این است که آیا واقعا به آن اعتقاد دارند یا خیر. ریاضیات ممکن است کارساز باشد، اما چقدر باید این ایده را جدی بگیریم؟ پاسترسکی می‌گوید: «من ریاضیاتی را مطالعه می‌کنم که زیربنای این نظریه‌های متفاوتی است که ما داریم. بنابراین، من این را به معنای واقعی کلمه نمی‌دانم که در یک هولوگرام زندگی می‌کنم – اما فکر می‌کنم که در واقع پرسیدن این سؤال بسیار قدرتمند است.

به راستی، اگر دو جهان مساوی وجود داشته باشد، کدام یک واقعی ترین، اساسی ترین است؟ اگر این مرز آسمانی است، آیا این بدان معناست که گرانش و فضای سه بعدی که به وضوح تجربه می کنیم، فقط یک توهم هستند؟ پاسترسکی چندان نگران این نیست که معامله واقعی کدام است. او می‌گوید: «به شیوه‌ای که ما [برنامه تحقیقات هولوگرافی آسمانی] را راه‌اندازی کردیم، فکر می‌کنم هنوز هم برنامه‌ای است که ما در آن هستیم. اما من فکر می‌کنم در دنیایی که بتوانیم این توصیف دوگانه را به طور کامل درک کنیم، آنها به همان اندازه خوب خواهند بود... آنها معادل خواهند بود.»

وقتی زودتر به کلیسا رسیدیم، مطمئن نبودم که آیا شدت مغزی پاسترسکی می‌تواند او را به یک مصاحبه‌کننده ترسناک تبدیل کند. او مطمئنا در سطح دیگری برای من است، و همانطور که از سالن کلیسا خارج می شویم، با وجود اینکه صبح آن روز از کانادا پرواز کرده بود، با همان سرعت و انرژی به گپ زدن ادامه می دهد. با این حال، یافتن او گرم، آرام و باز برای او آرامش بخش بود.

اوایل، من گیج شده بودم و می خواستم از طریق تلفنم برایمان تاکسی رزرو کنم. سیگنال من ضعیف بود، هیچ اتفاقی نمی‌افتاد، و در یک نقطه با التماس به او نگاه کردم و در این فکر بودم که آیا او می‌تواند با مغز قدرتمندش راه‌حلی تکنولوژیکی بیابد. اما او فقط لبخند زد و به جای آن پیشنهاد داد که آن را با تلفن خود رزرو کند. بنابراین، آیا او واقعا انیشتین بعدی است؟ زمان نشان خواهد داد. اما من مطمئنا با او گرم شدم.