Czy to co jest – naprawdę jest?
Niektórzy uczeni wierzą, że Wszechświat, w którym żyjemy, może być hologramem. Nie chodzi im o to, że jest jakąś symulacją à la Matrix (choć do tego wrócimy), ale raczej o to, że nawet jeśli wydaje nam się, iż żyjemy w trójwymiarowym Wszechświecie, może on ostatecznie mieć tylko dwa wymiary.
Nazywa się to zasadą holograficzną.
Idea, że świat, który obserwujemy wokół, jest niczym więcej niż gigantycznym hologramem, pozostaje w przeważającej mierze spekulacją. Jest to jednak obiecująca hipoteza. Jej propagatorzy argumentują, że rozwiązywałaby wiele problemów naukowych, m.in. kwestię unifikacji mechaniki kwantowej z teorią względności, paradoksy informacyjne czarnych dziur oraz problemy jednorodności i płaskości Wszechświata.
Najogólniej można tę koncepcję wyjaśnić tak: jakaś odległa dwuwymiarowa powierzchnia zawiera wszystkie dane potrzebne do pełnego opisania naszego świata - i podobnie jak w hologramie dane te są prezentowane w trzech wymiarach (rys. tytułowy artykułu). Podobnie jak postaci na ekranie telewizora, żyjemy na płaskiej powierzchni, która jedynie wygląda tak, jakby miała głębokość.
Może to zabrzmieć absurdalnie, ale prawa fizyki wydają się mieć większy sens, gdy pisze się je w dwóch wymiarach niż w trzech.
- Wśród większości fizyków teoretycznych nie jest to uważane za dziką spekulację - zapewnia Leonard Susskind (3), fizyk z Uniwersytetu Stanforda, który po raz pierwszy formalnie ogłosił ten pomysł kilka dekad temu.
Informacja nie znika
Skąd wziął się pomysł, że Wszechświat może być hologramem? Narodził się pierwotnie z pewnych paradoksów dotyczących czarnych dziur. W 1974 r. Stephen Hawking odkrył, że czarne dziury, w przeciwieństwie do tego, co od dawna sądzono, emitują z czasem niewielkie ilości promieniowania. Ostatecznie, ponieważ energia ta uchodzi poza horyzont zdarzeń - czyli zewnętrzną krawędź czarnej dziury, powinna ona całkowicie zniknąć.
Jednak pomysł ten wywołał tzw. problem utraty informacji o czarnej dziurze. Od dawna uważa się, że informacji fizycznych nie da się zniszczyć - wszystkie cząstki albo zachowują swoją pierwotną postać, albo, jeśli się zmienią, wpływają na inne cząstki; ale ostatecznie zawsze da się wywnioskować pierwotny stan. Jako analogię wyobraźmy sobie stos dokumentów podawanych przez niszczarkę. Nawet jeśli są one pocięte na drobne kawałki, informacja obecna na kawałkach papieru nadal istnieje. Została rozdrobniona, ale nie zniknęła i mając wystarczająco dużo czasu, dokumenty można by złożyć ponownie.
Tymczasem jeśli czarna dziura zniknie, wtedy informacje obecne w jakimkolwiek obiekcie wessanym do środka również znikają, co jest nie do pomyślenia dla nauki.
Jednym z rozwiązań, zaproponowanych w połowie lat 90. przez Susskinda i holenderskiego fizyka Gerardusa 't Hoofta, była teoria, zgodnie z którą obiekt wciągnięty do czarnej dziury pozostawia po sobie dwuwymiarowy ślad zakodowany na horyzoncie zdarzeń. Później, kiedy promieniowanie opuszcza czarną dziurę, odbiera odcisk tych danych. W ten sposób informacje nie są tak naprawdę tracone. Obliczenia obu naukowców wykazywały, że na samej powierzchni dwuwymiarowej czarnej dziury można przechowywać wystarczającą ilość informacji, aby w pełni opisać wszelkie pozornie trójwymiarowe obiekty znajdujące się wewnątrz niej.
- Analogia, o której myśleliśmy niezależnie, to analogia hologramu, czyli dwuwymiarowego kawałka filmu, który może zakodować wszystkie informacje w trójwymiarowym obszarze przestrzeni - wspomina Susskind.
Pojawił się również związany z tym problem obliczania ilości entropii w czarnej dziurze - czyli ilości nieporządku i przypadkowości wśród jej cząstek. Zasada holograficzna stwierdza, że entropia zwykłej masy (nie tylko czarnych dziur) jest również proporcjonalna do powierzchni, a nie objętości.
W 1998 r. Juan Maldacena (4) zademonstrował, że Wszechświat może być hologramem. Jego szczególny hipotetyczny Wszechświat znajdował się w tzw. przestrzeni anty de Sittera (która, aby uprościć rzeczy, ma zakrzywiony kształt w dużej skali, w przeciwieństwie do naszego Wszechświata, uważanego za płaski). Patrząc nań w dwóch wymiarach, badacz znalazł sposób, aby uczynić coraz bardziej popularną teorię strun - szerokimi ramami, w których podstawowymi elementami konstrukcyjnymi wszechświata są jednowymiarowe ciągi, a nie cząstki.
Co ważniejsze, połączył w ten sposób dwie niezwykle ważne, odmienne koncepcje fizyki w ramach jednej teorii.
- Zasada holograficzna połączyła teorię grawitacji z teoriami fizyki cząstek - orzekł Maldacena.
Połączenie tych dwóch podstawowych idei w jedną spójną teorię (często nazywaną kwantową grawitacją) pozostaje jednym ze Świętych Graali fizyki. Tak więc zasada holograficzna umożliwiająca taką unifikację w ramach hipotetycznego Wszechświata, stała się sprawą wielkiej wagi.
Oczywiście, wszystko to nadal pozostaje odległe od stwierdzenia, że nasz rzeczywisty Wszechświat, tak jak ów hipotetyczny Maldaceny, jest hologramem. Pojawiło się jednak ostatnio kilka prac teoretycznych, które sugerują, że zasada holograficzna może działać również dla naszego Wszechświata. Najlepszy rodzaj dowodu zaczynałby się od pewnych przewidywań teorii holograficznej, dających się sprawdzić eksperymentalnie. Fizycy mogliby następnie zebrać dowody, aby sprawdzić, czy odpowiadają one przewidywaniom. Teoria Wielkiego Wybuchu zakładała np., że po gwałtownej ekspansji, jaka ruszyła 13,8 miliarda lat temu, da się znaleźć jakąś formę pozostałej energii emanującą we Wszechświecie - w latach 60. astronomowie odkryli ją właśnie w postaci mikrofalowego promieniowania tła.
Hologram albo granice rozdzielczości
Jeśli to właśnie ten obraz Wszechświata jest prawdziwy, iluzja trójwymiarowości czasoprzestrzeni może zostać obalona, gdy tylko instrumenty badawcze, jakimi dysponujemy, staną się odpowiednio czułe. Craig Hogan, profesor fizyki z Fermilab, który poświęcił lata pracy na badanie podstawowej struktury Wszechświata, sugeruje, że poziom ów został właśnie osiągnięty.
Jeśli Wszechświat jest hologramem, być może właśnie dotarliśmy do granic rozdzielczości rzeczywistości. Niektórzy fizycy proponują intrygującą hipotezę, mówiącą o tym, że czasoprzestrzeń w której żyjemy, nie jest ostatecznie ciągła, lecz, podobnie jak obraz pochodzący z cyfrowego zdjęcia, na najbardziej podstawowym poziomie składa się ze swoistych "ziaren" lub "pikseli".
Gdyby tak było w istocie, nasza rzeczywistość musiałaby mieć pewne ostateczne granice "rozdzielczości". Tak właśnie kilka lat temu część badaczy interpretowała "szum", który pojawił się w wynikach pochodzących z detektora fal grawitacyjnych Geo600.
By zweryfikować tę niezwykłą hipotezę, Hogan wraz z zespołem skonstruował najdokładniejszy na świecie interferometr, zwany holometrem Hogana. Ma on nam dać najprecyzyjniejszy z osiągalnych pomiar samej podstawowej istoty czasoprzestrzeni. Eksperyment, oznaczony kryptonimem Fermilab E-990, nie jest jednym z wielu kolejnych. Dąży do wykazania kwantowej natury samej przestrzeni i obecności czegoś, co naukowcy nazywają "holograficznym szumem". Holometr (5) składa się z dwóch ustawionych obok siebie interferometrów, wysyłających jednokilowatowe wiązki laserowe do urządzenia rozszczepiającego je na dwie prostopadłe wiązki o 40-metrowej długości. Odbijają się one i wracają do punktu rozszczepiania, tworząc fluktuacje w jasności promieni świetlnych. Jeśli wywołają one określony ruch w urządzeniu rozszczepiającym, dowodzić to będzie wibracji samej przestrzeni.
Jednak inni fizycy, w tym Susskind, odrzucają założenie tego eksperymentu i twierdzą, że nie może on dostarczyć żadnych dowodów na istnienie zasady holograficznej.
Przypuśćmy jednak, że udowodnimy, iż Wszechświat jest hologramem. Co by to oznaczało dla naszego codziennego życia? W jednym ścisłym sensie - niewiele. Te same prawa fizyki, z którymi żyliśmy przez całe życie, wydają się pozostawać dokładnie takie same. Twój dom, pies, samochód i ciało nadal pojawiałyby się jako trójwymiarowe obiekty, jak zawsze. Ale w głębszym sensie odkrycie to zrewolucjonizowałoby naszą egzystencję. Dziwne zasady mechaniki kwantowej, jak np. splątanie, również nie zmieniają naszego codziennego życia. Nie widzimy atomów i nie zauważamy, co dokładnie robią. Zasady te są jednak kolejną podstawową prawdą, która mówi nam coś zupełnie nieoczekiwanego o fundamentalnej naturze Wszechświata.
Udowodnienie zasady holograficznej byłoby podobnym wstrząsem, którego praktycznego znaczenia możemy nie dostrzec. Wiodąc normalne życie, prawdopodobnie nie będziemy myśleć wiele o osobliwym fakcie, że żyjemy w hologramie. Jednak nic nie będzie już takie jak wcześniej.
Symulacje, czyli witajcie w kinie
Opisywana powyżej zasada holograficzna nie jest tym samym, co hipoteza Wszechświata jako symulacji. Nawet gdyby wszystko było hologramem wg koncepcji głoszonych przez Susskinda i Maldacenę, to nie oznacza jeszcze, że jest symulacją, którą coś nam stworzyło czy skonstruowało. Gdy się jednak nad tym wszystkim zastanowić, są to idee pokrewne, połączone wyraźnymi związkami pojęciowymi.
Co by było, gdyby wszystko wokół nas - ludzie, gwiazdy nad głową, ziemia pod stopami, a nawet ciała i umysły - okazało się rozbudowaną iluzją? Co by było, gdyby nasz świat okazał się po prostu hiperrealistyczną symulacją (6), w której wszyscy jesteśmy tylko postaciami w jakiejś wyrafinowanej grze wideo?
Jest to oczywiście koncepcja znana z książek i filmów science-fiction, w tym z przeboju filmowego "Matrix" z 1999 r. Niektórzy fizycy i filozofowie twierdzą jednak, że życie w tego rodzaju symulacji wcale nie jest niemożliwe - nawet jeśli oznaczałoby odrzucenie tego, co wiemy (lub uważamy, że wiemy) o Wszechświecie i naszym w nim miejscu.
"Jeśli żyjemy w symulacji, to obserwowany przez nas kosmos jest tylko maleńkim kawałkiem całości fizycznego istnienia", pisał filozof z Oxfordu, Nick Bostrom, w artykule z 2003 r., który rozpoczął debatę o tym, co stało się znane później jako hipoteza symulacji.
Rizwan Virk, z Massachusetts Institute of Technology, autor książki "Hipoteza symulacyjna" ("The Simulation Hypothesis"), należy do tych, którzy poważnie podchodzą do owej teorii. W wywiadach wspomina pewną grę w wirtualnej rzeczywistości, która wydawała się tak realistyczna, że zapomniał, iż znajdował się w pustym pokoju z goglami na głowie. To doprowadziło go do pytania: czy jesteśmy pewni, że nie tkwimy osadzeni w świecie stworzonym przez istoty bardziej zaawansowane technologicznie niż ludzkość?
Dla większości ten pogląd pozostaje nie do przyjęcia, z różnych zresztą powodów. Podczas debaty w Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku w 2016 r. fizyk Uniwersytetu Harvarda, Lisa Randall, pytała:
- Po co nas symulować? Jest przecież tak wiele ciekawych rzeczy do symulacji. Nie wiem, dlaczego ten wyższy gatunek miałby chcieć zawracać sobie nami głowę.
W tym momencie pojawia się jednak znajoma myśl, że istnieje symulator lub twórca, któremu na nas zależy. Podobnie idea nadrzędnej istoty projektującej symulowany Wszechświat przypomina pojęcie bóstwa tworzącego świat, jak to opisano np. w Księdze Rodzaju. Niektórzy myśliciele z zadowoleniem przyjmują analogię do religii. Jeśli hipoteza symulacji potwierdziłaby się, to pradawna myśl o Stwórcy może zostać przekształcona i wyrażona w kategoriach matematyki i nauk ścisłych, a nie tylko wiary.
Kto lub co jest boską jednostką, mogącą stworzyć symulowany Wszechświat? Zwolennicy hipotezy mówią np. o rasie zaawansowanych istot - kosmitów. Jeszcze bardziej szalona jest możliwość, że za symulacją stoi… nasze własne potomstwo.
Pracując nad gałęzią fizyki zwaną supersymetrią, dr James Gates Jr. odkrył coś, co wydaje się przypominać formę kodu komputerowego, zwanego kodem korygującym błędy, osadzonego w równaniach supersymetrii lub wynikającego z nich.
- Ten niespodziewany związek sugeruje, że kody te mogą być wszechobecne w przyrodzie, a nawet mogą być osadzone w istocie rzeczywistości - wyjaśnia Gates. - Jeśli tak jest, możemy mieć coś wspólnego z filmami typu "Matrix", przedstawiającymi świat, w którym wszystko, czego doświadcza człowiek, stanowi produkt sieci komputerowej generującej wirtualną rzeczywistość.
Czy kiedykolwiek dowiemy się, czy hipoteza symulacji ma sens? Nick Bostrom mówi, że istnieje niewielka szansa, iż pewnego dnia w symulacji napotkamy bliski błąd. Fizycy zaproponowali eksperymenty, które mogłyby dostarczyć dowodów na symulację. Niektórzy zastanawiali się np., czy świat jest z natury "gładki", czy też, w najmniejszych skalach, może się składać z dyskretnych "kawałków", nieco podobnych do pikseli w obrazie cyfrowym. Gdyby okazało się, że świat jest w ten sposób "pikselowany", mogłoby to być dowodem, że został stworzony sztucznie. Zespół fizyków amerykańskich i niemieckich przypuszcza, że odpowiedź na te pytania mogą przynieść dokładne pomiary promieniowania kosmicznego.
Czy ludzkie próby stworzenia sztucznej superinteligencji doprowadziłyby ostatecznie do włamania się do kosmicznego komputera? Już teraz włamujemy się do pracy naszego własnego biooprogramowania, poddając mózg stymulacji elektrycznej i chemicznej. Manipulowanie zapisanymi wspomnieniami, wszczepianie ich lub kopiowanie być może wkrótce stanie się możliwe. Mózg bez wątpienia jest częścią - a może portem odbiorczym - symulacji, jeśli ta istnieje. Zatem niewykluczone, że hakowanie mózgu doprowadziłoby do hakowania wielkiej symulacji.
Z powyższego możemy spekulować, że jeśli żyjemy w interaktywnym holograficznym Wszechświecie lub symulacji komputerowej, to zasadna jest sugestia, iż nasze biologiczne oprogramowanie zaprojektowano tak, aby odbierać, kompresować i analizować bardzo ograniczoną ilość informacji dostarczanych do mózgów przez różne cząstki subatomowe w celu uniknięcia przeciążenia informacji. Nasza postrzegana rzeczywistość fizyczna jest konstrukcją sygnałów bioelektrycznych przetwarzanych w naszych mózgach.
Bycie interaktywnymi graczami w holograficznym Wszechświecie może również prowadzić nas do sugestii, że celem inteligencji biologicznej jest rozwój wiedzy i komunikacja z innymi obcymi cywilizacjami oraz prawdopodobnie z ostatecznym twórcą (symulacji). Jest to podobne do projektowania głębokiego uczenia i sztucznej inteligencji, które zakończy się zdobyciem wiedzy i świadomości. Można sobie nawet wyobrazić wniosek, że zostaliśmy zaprojektowani tak, by ostatecznie ewoluować z kruchych jednostek biologicznych w stronę inteligencji maszynowej, co ma zwiększyć nasze szanse na przetrwanie, w miarę jak zmienia się środowisko naturalne Ziemi.
Wiele z nurtujących zagadek w fizyce da się wyjaśnić całkiem logicznie za pomocą interaktywnego modelu symulacji komputerowej. Tradycyjny model rzeczywistości fizycznej nie dostarczył jak dotąd zadowalających wyjaśnień. Model holograficzny może np. łatwo odpowiedzieć na pytanie, skąd wziął się Wielki Wybuch - tak jak każdy program komputerowy obsługujący wirtualną rzeczywistość wymaga ponownego uruchomienia, tak samo potrzebował tego holograficzny Wszechświat. Wyjaśniałoby się też w całkiem elegancki sposób wiele tajemniczych zjawisk kwantowych, np. wspomniane splątanie, które nie jest wówczas żadnym upiornym oddziaływaniem na odległość tylko cechą programu, zaś limit prędkości światła to np. granica wydajności mechanizmu symulującego Wszechświat. Znika prawie każdy uciążliwy problem!
Co by się jednak stało z całym naszym życiem, gdybyśmy jakoś potwierdzili, że żyjemy w symulacji? Jak zareagowaliby ludzie, gdyby dowiedzieli się, że świat oraz myśli i emocje to nic więcej niż zera i jedynki programisty? Niektórzy wyobrażają sobie, że taka wiedza zakłóciłaby naszą egzystencję, niszcząc poczucie celu i wszelką życiową inicjatywę. Astronom z Harvardu, Abraham Loeb, uważa, że wiedza tego rodzaju mogłaby nawet wywołać niepokoje społeczne i chaos. Niektórzy poczuliby się zwolnieni z odpowiedzialności za własne czyny.
Tymczasem niezależnie od tego, co możemy myśleć o hipotezie symulacji, Nick Bostrom uważa, że sam akt jej rozważania zapewnia mile widzianą dawkę pokory…
