В 2023 году группа физиков из Эдинбургского университета представила результаты эксперимента, который может перевернуть наше понимание устройства Вселенной. Речь идет о проверке так называемой голографической памяти пространства-времени — гипотезы, согласно которой вся информация о трехмерном мире может быть закодирована на двумерной границе. Этот эксперимент, проведенный под руководством профессора Джеймса МакКензи, был направлен на поиск фундаментальных шумов в структуре самого пространства-времени, которые могли бы подтвердить его голографическую природу.

Суть гипотезы, впервые предложенной Джерардом ‘т Хоофтом и Леонардом Сасскиндом, заключается в том, что наша реальность подобна голограмме. Подобно тому, как голографическая пленка хранит объемное изображение на плоской поверхности, наш трехмерный мир может быть проекцией данных, записанных на удаленной двумерной поверхности. Голографическая память пространства-времени в этом контексте означает, что прошлое не исчезает бесследно, а сохраняется в виде микроскопических искажений на этой фундаментальной «пленке». Эдинбургский эксперимент ставил своей целью зафиксировать эти искажения.

Принцип работы интерферометра и поиск квантового шума

Для проверки гипотезы ученые использовали сверхчувствительный интерферометр — прибор, который измеряет малейшие изменения расстояния между двумя зеркалами. В эксперименте Эдинбурга лазерный луч расщеплялся на два, проходил разные пути, а затем снова сводился вместе. Если бы пространство-время действительно обладало голографической памятью пространства-времени, то в точке сведения лучей должны были наблюдаться специфические флуктуации — так называемый «голографический шум». Эти флуктуации возникают из-за того, что информация о прошлых событиях (например, прохождении частиц) оставляет следы на квантовом уровне.

Ключевой проблемой было отличить искомый эффект от множества других шумов: тепловых колебаний, вибраций зданий, сейсмической активности и даже квантовых флуктуаций самого лазера. Команда МакКензи потратила несколько лет на создание системы многократной фильтрации и изоляции. В результате им удалось достичь чувствительности, в десять раз превышающей возможности предыдущих аналогичных установок, например, в Ганновере и Токио.

«Мы не просто искали случайные колебания. Мы искали коррелированный шум, который бы указывал на то, что само пространство-время «помнит» свои предыдущие состояния. Если бы гипотеза подтвердилась, это означало бы, что время — это не просто стрела, а застывшая структура, к которой можно получить доступ», — прокомментировал результаты профессор Джеймс МакКензи в интервью журналу Nature Physics.

Ниже приведены сравнительные технические характеристики установки в Эдинбурге и ее предшественников, которые демонстрируют прогресс в чувствительности измерений:

Полученные результаты и их интерпретация

После года непрерывных измерений команда не обнаружила статистически значимого сигнала, который можно было бы однозначно приписать голографической памяти пространства-времени. Уровень шума оставался в пределах прогнозируемых фоновых значений. На первый взгляд, это можно считать неудачей. Однако, как это часто бывает в фундаментальной физике, нулевой результат дал не менее важную информацию, чем положительный.

Ученые смогли установить новые, гораздо более жесткие верхние границы для возможной амплитуды голографических флуктуаций. Другими словами, если такая память и существует, она либо проявляется на масштабах, еще меньших, чем те, которые удалось «прощупать», либо ее механизм принципиально иной. Эти результаты, опубликованные в Physical Review Letters, заставили теоретиков пересмотреть некоторые популярные модели квантовой гравитации.

«Отсутствие сигнала — это не приговор теории. Это указание на то, что мы смотрели не в том диапазоне энергий или частот. Возможно, голографическая память закодирована не в позиционных флуктуациях пространства, а в фазовых или поляризационных состояниях. Эдинбургский эксперимент провел блестящую «чистку» параметров, и теперь мы знаем, куда не нужно смотреть», — отметил доктор физико-математических наук Сергей Иванов, ведущий научный сотрудник Института теоретической физики РАН.

Ниже представлены ключевые параметры ограничений, полученных в ходе эксперимента:

Несмотря на отсутствие прямого подтверждения, эксперимент дал мощный импульс развитию смежных областей. Технология сверхчувствительных измерений, разработанная в Эдинбурге, уже нашла применение в создании квантовых гироскопов и детекторов гравитационных волн нового поколения. Более того, теоретики начали разрабатывать альтернативные сценарии, в которых информация может храниться не в геометрии, а в топологии пространства-времени.

Основные выводы, которые можно сделать из работы шотландских физиков, выглядят следующим образом:

• Гипотеза о простой позиционной голографической памяти пространства-времени в исследованном диапазоне частот не подтвердилась.
• Установлены рекордные ограничения на амплитуду квантовых флуктуаций метрики, что сужает круг возможных теорий квантовой гравитации.
• Разработанная методика может быть адаптирована для поиска аксионов и других гипотетических частиц темной материи.

Будущее исследований голографического принципа

Эдинбургский эксперимент стал важной вехой, но не финальной точкой. Сейчас несколько групп по всему миру готовят новые установки, которые будут работать в других частотных диапазонах. В частности, планируется использовать интерферометры на основе запутанных фотонов и атомных кластеров. Это позволит либо окончательно закрыть вопрос, либо, наоборот, открыть новую физику.

Интересно, что параллельно развиваются и математические подходы. Используя данные из Эдинбурга, ученые из Perimeter Institute (Канада) построили модель, где голографическая память пространства-времени проявляется не как шум, а как изменение скорости распространения света в вакууме в зависимости от его энергии. Пока это лишь теория, но она предлагает конкретные параметры для проверки.

Можно выделить несколько направлений, в которых будет развиваться эта область в ближайшие пять лет:

1. Создание космических интерферометров на базе спутников для исключения сейсмических помех.
2. Использование массивов холодных атомов в состоянии Бозе-Эйнштейновского конденсата для детектирования фазовых сдвигов.
3. Разработка методов квантовой томографии пространства-времени, позволяющих «считывать» его историю.

«Эдинбург показал, что мы можем измерять пространство-время с точностью, о которой мечтали 20 лет назад. Теперь дело за теорией. Возможно, мы просто неправильно задали вопрос. Вместо того чтобы искать шум, нужно искать паттерны. Голограмма — это не хаос, это структура. И мы только учимся ее видеть», — резюмировала профессор Элис Харрисон, космолог из Оксфорда.

Таким образом, хотя прямой детекции голографической памяти не произошло, эксперимент заложил фундамент для новой эры прецизионных измерений. Каждый нулевой результат в такой сложной области, как квантовая гравитация, — это шаг вперед, отсекающий ложные пути. И кто знает, возможно, следующий эксперимент, основанный на данных из Эдинбурга, наконец-то откроет дверь в голографическую вселенную.