Αναλογιστείτε τα κομμάτια που χτίζουν τον χώρο-χρόνο και τον εγκέφαλο

Το 1989, ο διάσημος φυσικός John Wheeler, ο εκλαϊκευτής του όρου «μαύρη τρύπα», πρότεινε έναν ριζοσπαστικό νέο τρόπο σκέψης για το σύμπαν. Τα κβαντικά σωματίδια μπορεί να αλλάξουν σχήμα και να εξαφανιστούν, αλλά μπορούμε πάντα να βασιζόμαστε σε πληροφορίες:οι απαντήσεις που αποκαλύπτονται όταν κάνουμε ερωτήσεις μέσω μετρήσεων. Ο Wheeler υπέθεσε ότι κομμάτια πληροφοριών - είτε κάτι υπάρχει είτε απουσιάζει, πάνω ή κάτω, 0 ή 1 - θα μπορούσαν να είναι τα θεμελιώδη συστατικά της πραγματικότητας. "Κάθε φυσικό μέγεθος, κάθε αυτό, αντλεί την τελική του σημασία από bits, δυαδικές ενδείξεις ναι-ή-όχι", έγραψε σε ένα δοκίμιο που οραματίζεται έναν κόσμο "αυτό από μπιτ".

Τις δεκαετίες από τότε, διάφορες αφηρημένες εξελίξεις οδήγησαν πολλούς φυσικούς να αναρωτηθούν εάν η θέση του Wheeler θα μπορούσε να ξεκλειδώσει ένα βαθύ παζλ:την κβαντική φύση της βαρύτητας. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν ενοποίησε τη βαρύτητα με τον ιστό του χωροχρόνου, ερμηνεύοντας εκ νέου τη βαρυτική δύναμη ως αντικείμενα που πέφτουν κατά μήκος των καμπυλωτών περιγραμμάτων του σύμπαντος. Ωστόσο, η κβαντική θεωρία αγωνίζεται να εξηγήσει αυτές τις καμπύλες στη γλώσσα των σωματιδίων και των πεδίων της. Η σύγκρουση εμφανίζεται πλήρως στις μαύρες τρύπες, οι οποίες παραμορφώνουν το διάστημα τόσο έντονα που η πιο θεμελιώδης, κβαντική φύση της βαρύτητας δεν μπορεί να αγνοηθεί.

Οι υποδείξεις ότι η επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας έχει μεγαλύτερη σημασία από τον όγκο της οδήγησαν σε μια εκπληκτική ανακάλυψη το 1998:Ένα σύμπαν παιχνιδιών που καμπυλώνει σαν σέλα, που ονομάζεται χώρος anti-de Sitter (AdS), είναι μαθηματικά ισοδύναμο με το όριο της χαμηλότερης διάστασης. Σε αυτόν τον φανταστικό κόσμο, η κατεύθυνση που δείχνει προς το εσωτερικό φαίνεται απατηλή, όπως το βάθος ενός ολογράμματος.

Καθώς οι θεωρητικοί μελετούν τις μαύρες τρύπες και άλλα αντικείμενα στο χώρο του AdS, συνεχίζουν να μαθαίνουν μαθήματα τύπου Wheeler. Το ένα είναι ότι η συνδεσιμότητα του διαστήματος - η ικανότητα να φτάσουμε από το ένα μέρος στο άλλο - φαίνεται να προέρχεται από σωματίδια στο όριο που συνδέονται με συσχετισμούς γνωστούς ως κβαντική εμπλοκή. Εάν ένα σωματίδιο δείχνει προς τα πάνω, για παράδειγμα, αυτό σας λέει ότι ο εμπλεκόμενος συνεργάτης του δείχνει προς τα κάτω. Αυτό το είδος κοινής χρήσης πληροφοριών στα όρια του χώρου του AdS φαίνεται να επιτρέπει την ογκώδη δομή του εσωτερικού.

Ο Vijay Balasubramanian του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια είναι ένας από τους φυσικούς που εργάζονται για να μεταφράσουν τις υψηλές ιδέες του Wheeler σε καθαρά μαθηματικά. Η έρευνα στην οποία συμμετέχει και οι συνάδελφοί του ακούγεται τώρα με το σύνθημα "it from qubit", καθώς τα κβαντικά bit, ή qubits - σύνθετοι συνδυασμοί 0 και 1 - είναι πιο γενικά από τα κλασικά bit. Το 1999, ο Balasubramanian επεξεργάστηκε πώς να υπολογίσει τη μάζα και την ενέργεια στα σύμπαντα του AdS ως προς τις πληροφορίες σχετικά με τα σωματίδια στο όριο. Έκτοτε, έχει συνεισφέρει θεμελιώδεις στις θεωρίες των μαύρων οπών και της κβαντικής βαρύτητας μελετώντας το περιεχόμενο πληροφοριών διαφόρων συστημάτων.

Ένας παιχνιδιάρης πολυμαθής που είναι επιρρεπής στο άλμα από τη φυσική στον Προυστ στη μέση της συνομιλίας, ο Μπαλασουμπραμάνιαν διευθύνει μια ολόκληρη δεύτερη ερευνητική ομάδα στο Πεν που περιγράφει λεπτομερώς πώς τα φυσικά χαρακτηριστικά του κόσμου έχουν σμιλέψει τον εγκέφαλο. Στη νευροεπιστήμη, επίσης, ανακάλυψε ότι οι ιδέες πληροφοριών και υπολογισμών παρέχουν μια φυσική γλώσσα.

Περιοδικό Quanta συνδέθηκε πρόσφατα με τον Balasubramanian μέσω του Zoom για μια συζήτηση σχετικά με το ρόλο της πληροφορίας στη φυσική και τη νευροεπιστήμη και για τα όρια της ανθρώπινης γνώσης. Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

  Έχετε περάσει την καριέρα σας δουλεύοντας σε μερικά από τα πιο δυσεπίλυτα προβλήματα της φυσικής. Γίνεται πράγματι πρόοδος;

Οι εξελίξεις τα τελευταία 20 χρόνια ήταν τεράστιες. Μια σημαντική πρόοδος ήταν η κατανόηση ότι ένα σύμπαν που καμπυλώνει σαν σέλα - ο χώρος του AdS - όπου η βαρύτητα λειτουργεί με τον γνωστό αλλά ελάχιστα κατανοητό τρόπο, μπορεί να θεωρηθεί ισοδύναμο με έναν κόσμο χαμηλότερων διαστάσεων που είναι απαλλαγμένος από ενοχλητική βαρύτητα. Αυτή είναι η περίφημη δυαδικότητα AdS/CFT. Αυτή η ιδέα ανοίγει την πιθανότητα ότι ο χώρος δεν είναι θεμελιώδης. Μάλλον, θα μπορούσε να είναι αναδυόμενο. Πολλές από τις εργασίες μου ασχολήθηκαν με αυτό:την ανάπτυξη μιας θεωρίας που δεν περιέχει χώρο.

Πολύ πρόσφατα υπήρξε θαυμάσια πρόοδος στο να σκεφτόμαστε αν μπορείτε να δείτε πίσω από τον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας μετρώντας τα σωματίδια που ακτινοβολούν έξω, τα οποία μπορεί να περιέχουν ανακατεμένα μηνύματα σχετικά με το τι έπεσε στο παρελθόν.

Πώς οι μαύρες τρύπες και το AdS/CFT σας οδηγούν στην ιδέα ότι οι πληροφορίες θα μπορούσαν να είναι η βάση για το διάστημα;

Η κβαντομηχανική έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται ενότητα που εγγυάται ότι σε μικροσκοπικό επίπεδο, οι πληροφορίες δεν μπορούν να καταστραφούν. Αλλά ο Stephen Hawking υπολόγισε ότι οι πληροφορίες καταστρέφονται καθώς μια μαύρη τρύπα εξατμίζεται - δημιουργώντας ένα παράδοξο. Έχετε μια ένταση μεταξύ της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής που προκύπτει από την καταστροφή των πληροφοριών.

Γνωρίζουμε επίσης ότι η εντροπία μιας μαύρης τρύπας, που είναι ένα μέτρο άγνοιας ή έλλειψης πληροφοριών, ισούται με την επιφάνεια της μαύρης τρύπας. Σαφώς κάτι συμβαίνει που συνδέει την περιοχή, την εντροπία και τις πληροφορίες. Μπορείτε να το νιώσετε, αλλά δεν ξέρετε τι είναι, έτσι οι άνθρωποι αισθάνονται γύρω τους τι να πουν γι' αυτό.

Ένα πράγμα που εξετάζουμε είναι πώς η δομή του χώρου στον όγκο ενός σύμπαντος AdS εμφανίζεται στο όριο. Για παράδειγμα, τι σημαίνει για εσάς να μπορείτε να μετακινήσετε ένα αντικείμενο από το σημείο Α στο σημείο Β μέσα στο σύμπαν όταν το διάστημα δεν είναι θεμελιώδες; Υπάρχει τώρα το επιχείρημα ότι εάν δύο περιοχές στον όγκο του χώρου συνδέονται, τότε στο όριο του «επίπεδου κόσμου», οι αντίστοιχες μεταβλητές μπλέκονται κβαντικά. Αυτό σημαίνει ότι περιέχουν πληροφορίες το ένα για το άλλο. Το να μετράς το ένα σου λέει κάτι για το άλλο. Είναι μια πολύ όμορφη ιδέα και μια συγκεκριμένη υλοποίηση της ιδέας του Wheeler it-from-bit:Εάν αυτά τα κομμάτια κβαντικών πληροφοριών δεν συνδέονταν μέσω εμπλοκής, τότε δεν θα υπήρχε χώρος.

Λέτε ότι το τρισδιάστατο σύμπαν μας μπορεί πραγματικά να είναι μια οπτική ψευδαίσθηση που δημιουργείται από μπλεγμένα 1 και 0 σε κάποια επίπεδη γη;

Είναι απολύτως δίκαιο να το σκεφτόμαστε κυριολεκτικά. Αλλά η συζήτηση συνεχίζεται για το πόσο μακριά μπορείτε να φτάσετε αυτή την ιδέα.

Τι είναι μια λιγότερο κυριολεκτική ερμηνεία;

Είναι δύσκολο να πούμε σε αυτή τη φάση. Μέρος της δυσκολίας είναι ότι χρειάζεστε κάποιο λεξιλόγιο για το τι εννοείτε για να αναδυθεί το διάστημα. Από τη δική μας οπτική γωνία, ο χώρος φαίνεται ωραίος και ομαλός, σωστά; Θα μπορούσαμε να πούμε ότι το Α και το Β συνδέονται στο χώρο αν μπορούμε να τραβήξουμε μια ομαλή γραμμή μεταξύ τους. Αλλά τώρα ας υποθέσουμε ότι παίρνω ένα μικροσκόπιο και κοιτάζω μια μικροσκοπική περιοχή. Από κοντά, έχετε κάθε λόγο να περιμένετε ότι ο ίδιος ο χώρος, όπως όλα στην κβαντομηχανική, κυμαίνεται σαν τρελός, αναπηδά και διαλύεται. Σε αυτήν την περίπτωση, τι σημαίνει να λέμε ότι το Α είναι δίπλα στο Β;

Πρέπει να είμαστε πρόθυμοι να ανοίξουμε το μυαλό μας σε πιο λεπτές ιδέες για το διάστημα, κάτι που είναι δύσκολο επειδή η φαντασία μας είναι στενά συνδεδεμένη με την καθημερινή μας εμπειρία ως μεγάλα ζώα. Αλλά αν κάποιος μου είχε πει πριν από 20 χρόνια ότι θα μπορούσα να μιλήσω για αυτό καθόλου, θα έλεγα ότι δεν υπήρχε περίπτωση. Ίσως σε άλλα 20 χρόνια θα έχουμε μια απάντηση στην ερώτησή σας.

Δεν μπορούμε ακόμη να διερευνήσουμε την κβαντική βαρύτητα σε πειράματα. Πώς μπορείτε να καταλάβετε πότε οι περίεργες ιδέες σας λειτουργούν όταν δεν περιορίζεστε από πειράματα;

Αυτό είναι το θέμα. η μαθηματική συνέπεια των νόμων της φύσης είναι ένας δραστικός περιορισμός. Δεν νομίζω ότι οι άνθρωποι εκτιμούν πόσα πράγματα δεν μπορείτε να κάνετε εάν συμφωνείτε με ένα σύνολο κανόνων.

Μερικές φορές η πρόοδος στη θεωρητική φυσική έρχεται όταν αφαιρείτε μια υπόθεση. Εάν αντλείτε ένα σωρό θεωρίες που συνάδουν με κανόνες και οι θεωρίες δεν περιγράφουν τα φαινόμενα που πιστεύετε ότι θα έπρεπε, είναι απολύτως δίκαιο να αμφισβητήσετε τους κανόνες.

Για παράδειγμα, πέρυσι, κάποιοι συνάδελφοι και εγώ μελετήσαμε τι θα συνέβαινε αν μπλέκατε δύο βαρυτικά σύμπαντα. Ας υποθέσουμε ότι τα δύο σύμπαντα δεν συνδέονται. είναι ασυνεχείς. Η εικόνα του Αϊνστάιν για το διάστημα απαιτεί να αποκόπτονται εντελώς τα ασύνδετα σύμπαντα, με μηδενικές διαδρομές από το Α στο Β. Αλλά τροποποιήσαμε αυτήν την υπόθεση. Είπαμε, ας επιτρέψουμε στις άγριες διακυμάνσεις της κβαντικής βαρύτητας να δημιουργήσουν φευγαλέες συνδέσεις. Αυτό θα μπορούσε να έχει νόημα!

Βρήκαμε ότι αυτό το tweak κάνει έναν υπολογισμό να λειτουργεί. Ένα προφανές παράδοξο πληροφοριών μπορεί να αποφευχθεί εάν συμφωνείτε ότι οι κανόνες για τον υπολογισμό στην κβαντική βαρύτητα επιτρέπουν στα αποσυνδεδεμένα σύμπαντα να συνδέονται στιγμιαία.

Τι άλλο μπορείτε να κάνετε με μια προσέγγιση που βασίζεται στην πρώτη πληροφορία στη φυσική;

Κάποτε έγραψα μια εργασία με τίτλο «The Library of Babel:On the Origin of Gravitational Thermodynamics». Το όνομα εμπνεύστηκε από μια σύντομη ιστορία του Χόρχε Λουίς Μπόρχες για μια μυστηριώδη βιβλιοθήκη γεμάτη με βιβλία που μοιάζουν με ανοησίες. Τελικά ένας βιβλιοθηκάριος συνειδητοποιεί ότι αυτή η βιβλιοθήκη περιέχει όλες τις πιθανές αλληλουχίες γραμμάτων. Σχεδόν όλες οι ακολουθίες είναι βασικά τυχαίες, αλλά κάθε τόσο, έχετε την αληθινή ιστορία της ζωής κάποιου.

Υποστηρίξαμε ότι η συλλογή των τρόπων με τους οποίους οι μαύρες τρύπες μπορούν να τακτοποιήσουν τις πληροφορίες που περιέχουν μοιάζει με αυτήν τη βιβλιοθήκη. Όπως τα βιβλία, οι «μικροστάτες» της μαύρης τρύπας αποτελούνται από σχεδόν τυχαίους συνδυασμούς των μικροσκοπικών κομματιών της. Οι πληροφορίες διατηρούνται, αλλά είναι σχεδόν αδύνατο να ανακτηθούν.

Μια άλλη φορά ερευνήσαμε τις φυσαλίδες του τίποτα. Σε ορισμένα σύμπαντα με πάρα πολλές διαστάσεις, όταν μειώνετε τις επιπλέον διαστάσεις, αυτά τα σύμπαντα μπορεί να αναπτύξουν μια αστάθεια όπου δημιουργούν μια φυσαλίδα χωρίς χώρο μέσα.

Με ενδιέφερε πολύ αυτό το τίποτα. Στη γλώσσα του AdS/CFT, μια φούσκα του τίποτα στον αναδυόμενο όγκο του χώρου εμφανίζεται όταν οι θεμελιώδεις βαθμοί ελευθερίας στον επίπεδο κόσμο δεν είναι πλέον μπλεγμένοι. Αλλά αυτά τα [qubits] εξακολουθούν να υπάρχουν στον επίπεδο κόσμο. δεν είναι τίποτα. είναι ένα πράγμα. Το πράγμα δεν είναι μπλεγμένο με τον σωστό τρόπο για να δημιουργήσετε χώρο, αλλά υπάρχουν ακόμα πληροφορίες σε κατάσταση τίποτα.

Ποια ήταν η πρώτη σας συνάντηση με τον επιστημονικό συλλογισμό;

Όταν ήμουν στη δεύτερη δημοτικού, ζούσαμε στην Καλκούτα της Ινδίας και πηγαίναμε για ψώνια για λαχανικά το Σαββατοκύριακο. Θα προσπερνούσαμε αυτούς τους βιβλιοπώλες με πάγκους χτισμένους στους τοίχους των κτιρίων. Εκτίμησα πολύ τα βιβλία που μπόρεσα να έρθω στα χέρια μου. Ο μπαμπάς μου έφτιαχνε ένα μικρό ράφι από κιβώτια συσκευασίας από τοπικά μαγαζιά, και εγώ έβαζα στη σειρά τη χούφτα βιβλία μου και τα μετρούσα. Η φιλοδοξία μου στη ζωή ήταν να αποκτήσω κάποτε 100 βιβλία.

Μια μέρα πήρα ένα βιβλίο με το όνομα The How and Why Wonder Book of Famous Scientists . Ιδιαίτερα θυμάμαι τον Antonie van Leeuwenhoek. Δεν είχε πτυχίο. Δεν δούλευε σε φανταχτερό μέρος. Ήταν μύλος φακών. Αλλά ήταν ένας έξυπνος και περίεργος τύπος, και έτσι χρησιμοποίησε τους φακούς του για να συναρμολογήσει το πρώτο μικροσκόπιο και ανακάλυψε ολόκληρο τον κόσμο της μικροσκοπικής ζωής. Θυμάμαι ότι το διάβασα και συνειδητοποίησα ότι η επιστήμη ήταν κάτι που μπορούσες να κάνεις. Δεν έλαβε σοφία από περασμένες εποχές. Από τότε ήξερα τι επρόκειτο να κάνω στη ζωή.

Έχετε σπουδάσει φυσική και επιστήμη υπολογιστών στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. Γιατί το τελευταίο;

Είχα αρχίσει να νιώθω ότι οι νόμοι της φύσης καθώς τους γράφουμε περιορίζονται θεμελιωδώς από τις σκέψεις που μπορούμε να σκεφτούμε. Μια γάτα δεν μπορεί να καταλάβει τον λογισμό και δεν είναι προφανές ότι οι άνθρωποι μπορούν να καταλάβουν τα πάντα. Σπούδασα πληροφορική γιατί ήθελα να καταλάβω τα όρια του υπολογιστή στο μυαλό μου.

Πώς ξεκίνησε η εναλλακτική ζωή σας ως νευροεπιστήμονας;

Ως μεταδιδακτορικός φοιτητής στο Χάρβαρντ, έκανα την κύρια έρευνά μου στη θεωρία χορδών, αλλά και σε εργαστήρια βιολογίας. Περνούσα τα βράδια στο εργαστήριο του φίλου μου κοιτάζοντας τα δεδομένα του και διαβάζοντας χαρτιά. Είχα απομακρυνθεί από όλα τα μαθήματα βιολογίας του γυμνασίου, οπότε είχα πολλά να μάθω.

Μετά ήρθα στο Penn και γνώρισα τον Peter Sterling, έναν νευροεπιστήμονα. Θα μου έκανε ερωτήσεις όπως, "Γιατί αυτό το κύκλωμα μοιάζει με αυτό;" ή "Γιατί αυτός ο νευρώνας μοιάζει έτσι;" Αυτές είναι εξαιρετικές ερωτήσεις επειδή η μορφή ακολουθεί τη λειτουργία στη βιολογία.

Ποιες είναι μερικές από τις δυνάμεις που έχετε εντοπίσει και που έχουν σμιλέψει τη μορφή του εγκεφάλου;

Οι νευρωνικές πληροφορίες είναι πολύ ακριβές. Κοστίζει πολλή ισχύ, οπότε αν σκεφτείτε τη θεωρία των ενεργειακά αποδοτικών τρόπων κωδικοποίησης πληροφοριών, ίσως αυτό θα πρέπει να σας πει για τη δομή του εγκεφάλου.

Για παράδειγμα, υπάρχουν διαφορετικά μονοπάτια στον εγκέφαλο για την επεξεργασία φωτεινών και σκούρων μπαλωμάτων και ο εγκέφαλος αφιερώνει περισσότερους πόρους σε σκοτεινά σημεία. Γιατί να το κάνει αυτό; Δείξαμε ότι αν κοιτάξετε τη στατιστική δομή των φυσικών εικόνων, υπάρχουν περισσότερα σκοτεινά σημεία παρά φωτεινά σημεία. Αναπτύξαμε μια ποσοτική θεωρία που προβλέπει πόσους ανιχνευτές φωτός και σκοτεινούς ανιχνευτές θα πρέπει να έχετε για να μεγιστοποιήσετε τις οπτικές σας πληροφορίες εάν επρόκειτο να δημιουργήσετε ένα τεχνητό σύστημα με σταθερό προϋπολογισμό. Και καταλήγετε λίγο πολύ με αυτό που βλέπετε στα ζώα.

Έχετε απαντήσει στην ερώτησή σας σχετικά με τους περιορισμούς του υπολογιστή στο μυαλό σας;

Η έρευνά μου στη νευροεπιστήμη μου έδωσε πληροφορίες για το γιατί ο υπολογιστής είναι οργανωμένος όπως είναι, αλλά δεν νομίζω ότι έχω μάθει πολλά για τους περιορισμούς των διαδικασιών στο μυαλό μου που με αφήνουν να κάνω φυσική. Έχω ακόμα ελπίδες να φτάσω εκεί. Νομίζω ότι αυτές οι διαδικασίες υψηλότερου επιπέδου επανατοποθετούν πιο στοιχειώδη πράγματα που πρέπει να κάνουμε για να επιβιώσουμε. Είναι πολύ πιο σημαντικό να τρώτε παρά να κάνετε φυσική.

Νιώθετε λοιπόν σαν τη γάτα που προσπαθεί να μάθει λογισμό; Μήπως η εντροπία των ασύνδετων συμπάντων ωθεί τα γνωστικά μας όρια;

Θα το νόμιζες αυτό, αλλά συνεχίζουμε να βρίσκουμε περισσότερα! Υπάρχει ένα πραγματικό μυστήριο σχετικά με αυτό. Απλώς χρησιμοποιούμε απλές μαθηματικές θεωρίες, αλλά μιλάμε για το αν ο χωροχρόνος συνδυάζεται με αναδυόμενο τρόπο μέσω της εμπλοκής. Είναι τόσο απομακρυσμένο από την καθημερινή μας εμπειρία που είναι παράλογο που μπορούμε να το υπολογίσουμε μέχρι στιγμής.

Εδώ υπάρχει ένα πρόβλημα για να γίνει κατανοητό. Η δύναμη των απλών θεωριών είναι ένα δώρο που δεν αξίζουμε, βασικά.

Πώς είναι η συλλογή βιβλίων σας; Έχετε φτιάξει τη Βιβλιοθήκη της Βαβέλ σας;

Αφού αποκτήσαμε με τη γυναίκα μου το δεύτερο παιδί μας, θέλαμε να μετακομίσουμε στα προάστια της Φιλαδέλφειας. Ένα απόγευμα βγήκαμε από εδώ και είδαμε τέσσερα σπίτια, και τη στιγμή που μπήκα σε αυτό το σπίτι και είδα αυτό το δωμάτιο γεμάτο ράφια, ήξερα ότι θα ήταν το σπίτι μας.

Τώρα είναι γεμάτο με εκατοντάδες βιβλία. Η γυναίκα μου είναι ιστορικός εδώ στο Penn, οπότε συγκεντρώνει και βιβλία. Και εξακολουθώ να έχω όλα τα βιβλία μου με παραμύθια από όταν ήμουν παιδί — με αυτιά σκύλου, με αποτυπώματα και σημάδια τροφής και όλα.

Σημείωση του συντάκτη:Ο Balasubramanian έχει λάβει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό.