6. Голографический принцип и чёрные дыры

На пути к Сокровенной Сети Вселенной мы сделаем небольшую остановку в области чёрных дыр. Их космическая сила настолько мощна, а свойства настолько необычны, что захватили и нас, скромных прозаиков, в сферу своего титанического притяжения и мистического существования. Хотя на сей раз это притяжение, которое оказывает своё действие не на наши тела, а на наши души. Привал! (на обочине.)

Ещё лет 50 назад чёрные дыры являлись сюжетом научно-фантастических романов. Отважные космонавты, астронавты и даже космические аргонавты, космические корабли, бороздящие просторы Вселенной, звездолёты и летающие тарелочки, добрые и злые пришельцы, иные планеты и инопланетяне, звёздные войны и космические трубки мира, чёрные и белые дыры, червоточины и машины времени  приятно будоражат человеческое воображение. Увы, сейчас на смену всей этой космической романтике пришла обыденная научная проза. А порой и Проза.Ру. За дело решительно взялась сухая наука, решительно отодвинув восторженную фантастику в сторонку. (Поберегись!) Итак, «чёрные дыры».

Сам термин «чёрные дыры» (англ. – “black holes”) впервые был публично употреблён  в популярной лекции выдающегося  американского учёного Джона Арчибальда  Уилера «Наша Вселенная: известное и неизвестное» (англ. – “Our Universe: the Known and Unknown”) 29 декабря 1967 года. В этом году термин «чёрные дыры» празднует, таким образом, свой самый круглый, полувековой юбилей.
 
Автор термина знаменит ещё и тем, что он же изобрёл широко известный в науке и фантастике термин  «кротовая нора» или, что точнее,  «червоточина» (англ. – “wormhole”). Ну, а про его знаменитую концепцию “It from bit” (бытие из бита) мы ещё поговорим поподробнее.

Выросли и «чёрные дыры», и «червоточины» из общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. Название их происходит оттого, что сила их гравитации настолько велика, что не выпускает из сферы своего притяжения даже лучи света. Захватывает эта незримая сила фотоны света, искривляет их космические пути-дорожки, превращая область своего сверхмощного звёздного влияния в тёмное царство,  где нет ни единого лучика света. Нет света – нет никакой информации для наблюдателя об этой таинственной области. На месте действия этой сверхмощной гравитации и возникает «чёрная дыра» в пространстве.

Как вы думаете, существует ли какая-нибудь связь между этими космическими монстрами, образовавшимися из выгоревших массивных звёзд, современными информационными технологиями (IT) и голографической теорией? Оказалось, да! Существует!  Всё в мире взаимосвязано!

Информационные технологии поставили теоретический и практический вопрос о максимальной ёмкости носителя информации и о способе «упаковки» такой информации. Ответ, как ни странно, пришёл из области изучения термодинамики «чёрных дыр» и из голографической теории. Вот что пишет по этому поводу ученик Джона Арчибальда Уилера, израильский академик и лауреат многочисленных премий по физике Якоб Бекенштайн в своей статье «Информация в голографической Вселенной», опубликованной в  Scientific American в августе 2003 года:

«Информационная ёмкость устройств типа жёсткого диска компьютера растёт гигантскими шагами. Когда остановится этот прогресс? Какова максимальная информационная ёмкость устройства, которое весит, скажем, меньше, чем грамм и занимает объём меньше, чем кубический сантиметр (примерно размер компьютерной микросхемы). Сколько информации требуется, чтобы описать всю Вселенную? Уместится ли это описание в память компьютера? Можем ли мы, как Уильям Блейк отчеканил в своё время, увидеть “огромный мир в зерне песка” или эта идея всего лишь поэтическая вольность?

<…> Изучая таинственные свойства чёрных дыр, физики вывели АБСОЛЮТНЫЕ ПРЕДЕЛЫ   того, сколько информации может содержать область пространства или некоторое количество вещества и энергии. (Выделено мною. С.Г.) Связанные с этим результаты указывают, что наша Вселенная, которую мы воспринимаем как имеющую три пространственных измерения, на самом деле может быть "написана" на двухмерной поверхности, подобно голограмме. Наше повседневное восприятие мира как трёхмерного тогда было бы или основательно запутанной иллюзией, или просто одним из двух альтернативных путей рассмотрения реальности. Песчинка, видимо, не может охватить наш мир, но плоский экран мог бы» [1].

(Заметим по ходу дела, что живший 2 века назад английский поэт-мистик Уильям Блейк вопреки Якобы Бекенштайну считал, что как раз можно, а то и нужно узреть «огромный мир в зерне песка»: “To see a world in a grain of sand...”)

Изучение учёными термодинамики чёрных дыр привело к трём неожиданным  выводам.
 
Во-первых,  обобщённый второй закон термодинамики  (ОВЗ) может поставить предел информационной ёмкости любых материальных носителей информации, вплоть до гипотетического субкваркового уровня, некоего уровня Х (икс), если таковой существует:

«ОВЗ позволяет поставить верхний предел информационной вместительности для любой изолированной физической системы, предел, который учитывает информацию на всех уровнях структуры, вплоть до уровня X» [1].

В теории информации каждый бит должен иметь своего материального носителя: атом, электрон, нуклон, кварк и так далее, всё глубже и глубже в мир элементарных частиц. Чем меньше элементарный носитель элементарного бита информации – тем больше ёмкость информации в одном и том же объёме. От узелковой письменности и клинописи – к книгам, газетам и журналам, а оттуда – к винчестерам, дискеткам, флэшкам, CD-ROMам, DVD-ROMам, Blu-ray дискам. Ёмкость информации на маленькой дискетке примерно равна ёмкости гипотетической информации, записанной клинописью на всей Великой китайской стене.  Что дальше? Дальше – во-вторых.

Во-вторых, ёмкость информации чёрных дыр как раз и устанавливает вышеупомянутые  «АБСОЛЮТНЫЕ ПРЕДЕЛЫ того, сколько информации может содержать область пространства или некоторое количество вещества и энергии». Эта АБСОЛЮТНАЯ ЁМКОСТЬ примерно так же превосходит ёмкость самых современных  носителей информации, как и информационная ёмкость Blu-ray диска превосходит информационную ёмкость клинописного письма на глиняной табличке. Либо как плотность вещества чёрной звезды, один кубический сантиметр которой весит примерно 200 млн тонн,  превышает плотность воды, один кубический сантиметр которой весит 1 грамм.

«Устройство, имеющее размер в 1 см, в принципе может хранить до 10^66 бит информации – умопомрачительная величина. Видимая Вселенная содержит по крайней мере 10^100 бит энтропии, которую в принципе можно поместить в сфере радиусом в одну десятую светового года» [1].
 
В-третьих, что самое удивительное, эта АБСОЛЮТНАЯ ЁМКОСТЬ не зависит от объёма своего информационного носителя, то есть пресловутой «чёрной звезды», а зависит ТОЛЬКО от площади её поверхности! О как!

Иными словами, вся информация записана не внутри этого абсолютного носителя, а снаружи его!? Этот носитель носит у чёрных дыр название «горизонт событий».

«Точка невозврата (точнее – поверхность в пространстве-времени – ред.), так называемый "горизонт событий" чёрной дыры, имеет ключевое значение. В простейшем случае горизонт событий чёрной дыры представляет собой сферу, поверхность которой больше для более массивной черной дыры» [1].

Эта колоссальная ёмкость исходит из того голографического принципа, что каждый бит информации, записанный на «горизонте событий» чёрной дыры, соответствует четырём планковским единицам площади. Планковская единица длины, 1,6·10^-35 метра, как мы помним, служит элементарной, наименьшей единицей длины в квантовой механике. Меньше её ничего быть не может. Соответственно, планковская площадь, математический квадрат планковской длины, служит элементарной, наименьшей единицей площади. Меньше её тоже ничего быть не может.

Так вот, 4 единицы этой элементарной площади на «горизонте событий» чёрной дыры несут в себе элементарный бит информации. Образно говоря, 4 единицы планковской площади представляют собой элементарную ячейку памяти вселенского голографического хранилища информации, в котором, как на двумерной поверхности оптической голограммы, записано всё и вся (см. картинку вверху, взятую из статьи «Информация в голографической Вселенной»).   

Любопытно отметить, что мифологическое «небо», которое служит исполненной жизни  обителью ангелов и духов, так же, как и «горизонт событий» чёрной дыры, насыщенный до предела информацией, представляет собой сферу, точнее, полусферу. А жизнь есть не что иное, как стабильный порядок в мире неукротимого беспорядка, антихаос (негативная энтропия), организация, мерой которой является информация. Небесная полусфера исполнена жизни, а космическая сфера насыщена информацией, что и является внутренней сущностью жизни! Как вам такие параллели? В какой геометрии мира эти параллельные пересекаются, как в геометрии Лобачевского? Есть ли такая «небесная» геометрия?
 
Вернёмся с всеведущих «небес» на грешную землю. Как такое может быть, что количество информации  зависит от окружающей поверхности, а не от объёма?  Допустим, собираем мы микросхемы памяти в единый блок памяти. Чем больше объём этого информационного блока – тем больше ёмкость. Объём растёт быстрее, чем площадь  поверхности. Почему же  ёмкость информации зависит именно от площади поверхности, а не от объёма?  Ошибка? Или подвох?

А вот и ответ на заданный вопрос:

«На самом деле, фиаско терпит само собрание микросхем: под действием собственной гравитации оно коллапсирует и превращается в чёрную дыру до того, как голографический предел будет превзойдён. После этого каждая дополнительная микросхема будет увеличивать массу и площадь поверхности чёрной дыры в полном согласии с ОВЗ» [1].

Классическая световая голограмма представляет плоскую двумерную поверхность, на которой закодировано определённое информационное изображение в виде неких непонятных и иррациональных для обычного смертного «тёмных и светлых полос на двумерной плёнке», выгравированных лазером  на этой самой двумерной поверхности. Вся информация хранится на двумерной плоскости, но луч лазера её считывает  и создаёт трехмерное изображение. Непонятные и иррациональные полоски на двумерной плоскости волшебным образом превращаются в абсолютно ясный и понятный 3D формат.

Что важно для обывателя – само по себе красивое, переливающееся всеми цветами радуги, но тем не менее иллюзорное трёхмерное изображение, которое при желании можно превратить из статистического в динамического, в 3D кино.

Что важно для учёного – это то, что «трёхмерная система может быть полностью описана некоторой физической теорией, обитающей целиком на двумерной границе области». Для обывателя важен эффект, зрелище, шоу. Для учёного важно описание, важна теория, важны законы, важны степени свободы,  крайне важно, что информационная ёмкость зависит ТОЛЬКО от площади поверхности, а не от объёма.

Именно на этих важных именно для учёного, а не для обывателя моментах и  основан голографический принцип, предложенный в 1993 г. будущим Нобелевским лауреатом Герардом ’т Хоофтом из Нидерландов и развитый дальше американцем Леонардом Сасскиндом. (Просьба не путать голографический принцип с голографической парадигмой.)

Вся информация, описывающая трёхмерный объём, закодирована неким пока неизвестным и недоступным для нас способом  на его двумерной поверхности. Только плоская двумерная поверхность без разрывов из плоской превращается в искривлённую, как в своё время плоская геометрия Евклида превратилась в искривлённые геометрии Лобачевского и Римана. Припоминаете? [2]

Двумерная плоскость искривляется без разрывов (это называется в науке «топология») и превращается, скажем, в сферу, или куб, или параллелепипед, или иной другой многогранник. На его-то гранях и закодирована  вся информация  об этих трёхмерных объектах. Это и есть голографический принцип  ’т Хоофта и Сасскинда.

Образно говоря, если ваша квартира – «чёрная дыра», которая вас никуда не отпускает из своих гравитационных объятий, то вы, тов. Чернодырин, можете считать информацию обо всех хранящихся в ней вещах – рублях, инвалюте, золоте, серебре, бриллиантах,  двенадцати стульях из дворца работы мебельной мастерской Гамбса, двух магнитофонах импортных, двух портсигарах отечественных, трёх куртках замшевых,  да и о вас самих со всеми вашими домочадцами – на стенах, полу и потолке ваших однозвёздных, «чёрнодырных» апартаментов. Голографическая статистика знает всё! И обо всех! Большой брат не дремлет!

Не менее важно то, что стибрить оттуда ничего из того, что  нажито непосильным трудом, не получится, в отличие от обычных, пятизвёздных, но не «чёрнодырных» номеров. Гравитация не позволит. Молвит: «Не укради!» Гравитация и информация идут, как оказалось,  рука об руку. В противном случае считывать будет нечего, как это уже не раз бывало в нашей лихой истории. Как сказал тов. Черномырдин в том же приснопамятном 1993 году:  «Хотели как лучше, а получилось как всегда».

Что нам, не сухим учёным, но и не тупым обывателям, а простым прозаикам,  важно – так это провести разницу между голографической парадигмой Бома и Прибрама, с одной стороны, и голографическим принципом ’т  Хоофта и Сасскинда, с другой.

Первая, то есть голографическая парадигма, выросла из поисков объяснений квантовой нелокальности и разделила мир на два уровня реальности: скрытый и развёрнутый в пространстве.

Второй, то есть голографический принцип, вырос из странностей термодинамики чёрных дыр и информационных технологий и озадачен поисками абсолютного носителя информации.

По сути дела, голография утверждает новую космологию мироздания, которая неким чудесным образом вдруг начинает напоминать древнюю мифологическую космологию.  Наука не стоит на месте и физики постепенно приходят к пониманию того, что язык природы не сводится не только к частицам, как это было у атомистов древнего мира, но и к полям.

«…приходит понимание, что фундаментальная вера физиков последних 50 лет в то, что теория поля и есть наипервейший ЯЗЫК ПРИРОДЫ, должна померкнуть. Поля, такие как электромагнитные поля, меняются непрерывно от точки к точке, и, следовательно, имеют бесконечно много степеней свободы. Теория суперструн тоже имеет дело с бесконечно многими степенями свободы. Голография ограничивает число степеней свободы, которые могут быть внутри некоторой поверхности, конечным числом. Следовательно, теория поля со своими бесконечностями не может быть окончательной теорией. Даже если бесконечности как-то обузданы, всё равно потребуется объяснить таинственную зависимость информации от площади ограничивающей поверхности» [1].

Как бы поговорить с природой на её языке?  Какая научная теория могла бы быть таким языком? Может, голограмма мира, которую можно увидеть и в древней восточной Сети Индры, и в современной западной научной теории, окажет нам свою неоценимую помощь?

«Голография может быть проводником к лучшей теории. На что похожа фундаментальная теория? Цепь рассуждений, включая голографию, подсказывает некоторым учёным, в частности, Ли Смолину из Института теоретической физики Ватерлоо, что такая окончательная теория должна оперировать не полями, даже не пространством-временем, а обменом информацией между физическими процессами. Если это и вправду так, то взгляд на информацию как на строительный материал Вселенной найдёт достойное воплощение» [1].

Вот и пришла пора взглянуть на информацию как на «строительный  материал Вселенной».
_______________________________________________________


Продолжение следует: http://proza.ru/2022/09/17/187
На главную: http://www.proza.ru/2017/02/08/668


Примечания:

1. Цитируется по: Зураб Силагадзе «Сколько ангелов может танцевать на булавочной головке?» 24.10.2004 
2. Единство и борьба пространств: http://www.proza.ru/2017/01/14/1411
3. ИДСЗ как земная крона космического Древа Жизни: http://www.proza.ru/2016/05/26/1737


           4 февраля 2017