Este Universul o hologramă? De ce? (1)

Una dintre teoriile recente ale fizicii teoretice este aceea ca Universul nostru ar fi o holograma. Desi ideea poate parea, la o prima vedere, ridicola, savantii ce o sustin au argumente solide, pornind de la teoriile recente privind functionarea gaurilor negre.

Detectorul de unde gravitationale GEO600, din Germania, este posibil sa fi facut cea mai importanta descoperire stiintifica a ultimei jumatati de secol – si anume ca la nivel fundamental spatiul-timpul este granular, nu continuu, asa cum credea Albert Einstein. Pornind de la aceasta descoperire, unii fizicieni spun ca aceasta descoperire vorbeste despre mult mai mult – si anume ca Universul este o gigantica holograma. Iata povestea acestei idei uluitoare în cele ce urmeaza.

Conducând prin zona rurala din sud de Hanover, nu ar fi greu sa nu observi cladirile experimentului GEO600. Din exterior nu arata a mare lucru: într-un colt al câmpului se ridica niste cladiri colturoase, din care pornesc doua transee, care formeaza un unghi drept si care sunt acoperite cu fier ruginit. Sub placile metalice însa, se afla în detector care se întinde pe o distanta de 600 de metri. Vreme de 7 ani (la nivelul anului 2009, n.tr.) aici, în Germania, s-a încercat identificarea undelor gravitationale – „valuri” ale continuumului spatiu-timp generate de obiecte astronomice superdense, ca stelele neutronice si gaurile negre.

GEO600 nu a detectat nicio unda gravitationala pâna acum, dar s-ar putea sa fi facut cea mai importanta descoperire din fizica din ultimii 50 de ani.

Vreme de mai multe luni membrii echipei GEO600 si-au scarpinat fruntile, încercând sa gaseasca o explicatie pentru zgomotul care le afecteaza detectorul gigantic. Apoi, pe neasteptate, un cercetator le-a oferit o explicatie. În fapt, acesta prezisese acest zgomot înainte ca acesta sa fie descoperit. Conform lui Craig Hogan, un fizician de la laboratorul de fizica a particulelor Fermilab din Batavia, Ilinois, GEO600 a descoperit limita fundamentala a spatiu-timpului – punctul în care spatiu-timpul înceteaza sa se mai comporte ca un continuum, asa cum l-a descris Einstein si, în schimb, se dizolva în „granule”, asa cum o fotografie se „dizolva” în puncte atunci când continui sa o maresti. „Se pare ca GEO600 a dat de convulsiile quantice al spatiu-timpului”, crede Hogan.

Daca acest aspect nu-ti arunca sosetele din picioare, tine-te bine, pentru ca Hogan – care a fost numit în 2009 director al Centrului Fermilab pentru Astrofizica Particulelor – are o surpriza si mai mare sa te anunte: „Daca rezultatul GEO600 este ceea ce cred eu ca este, atunci traim toti într-o holograma cosmica gigantica”.

Universul ca holograma

Ideea ca am trai într-o holograma probabil ca suna absurd, dar este o extensie naturala a ceea ce stim astazi despre gaurile negre – deci, e o idee cu un suport teoretical solid. De asemenea, ideea a fost surprinzator de utila fizicienilor care încercau sa descrie mecanismul de functionare al Universului la nivel fundamental.

Hologramele pe care le gasim pe cartile de credit ori bancnote sunt inscriptionate pe film de plastic bidimensional. Atunci când lumina se reflecta din aceste inscriptii, se recreeaza o imagine 3D. În anii ’90 fizicienii Leonard Susskind si laureatul premiului Nobel, Gerard’t Hooft sugerau ca acelasi principiu, holografic, s-ar putea aplica întregului Univers. Existenta noastra zilnica ar putea fi proiectia holografica a unor procese fizice care au loc la mare distanta, pe suprafata plana, bidimensionala.

„Principiul holografic” ne „râcâie” simturile. Pare greu de crezut ca te trezesti, te speli pe dinti si citesti acest articol ca urmare a ceva ce se întâmpla la granitele Universului. Nimeni nu stie ce ar înseamna pentru noi daca, într-adevar, traim într-o holograma, dar teoreticienii au bune motive sa creada ca multe aspecte ale principiului holografic sunt adevarate.

Ideea remarcabila a lui Susskind si a lui ‘t Hooft a fost motivata de realizarile extraordinare privind gaurile negre ale lui Jacob Bekenstein, de la Universitatea Evreiasca din Ierusalim si ale lui Stephen Hawking, de la Universitatea din Cambridge. La mijlocul anilor ’70, Hawking a aratat ca gaurile negre nu sunt, în fapt, complet „negre”, ci emit radiatie într-un ritm scazut, fapt ce dece pâna la urma la evaporarea si disparitia gaurilor negre. Aici apare o problema, pentru ca radiatia Hawking, cum a fost numita, nu transmite nicio informatie despre interiorul gaurii negre. Atunci când gaura neagra s-a epuizat, toata informatia despre steaua care a colapsat pentru a forma gaura neagra a disparut, fapt ce contrazice principiul conform caruia informatia nu poate fi distrusa. Acest aspect este cunoscut drept paradoxul informatiei gaurii negre.

Bekenstein a furnizat o importanta idee pentru a rezolva paradoxul. El a descoperit ca entropia unei gauri negre – care este sinonima cu informatia sa – este proportionala cu aria suprafetei orizontului evenimentelor. Aceasta suprafata este una teoretica, se afla la exteriorul gaurii negre si  reprezinta punctul limita pentru materie si lumina: odata trecut, nu mai exista întoarcere. Teoreticienii au aratat ca „valuri” cuantice microscopice la nivelul orizontului evenimentelor pot condifica informatia din interiorul gaurii negre; astfel, se rezolva problema disparitiei misterioase a informatiei, pe masura ce gaura neagra se evapora.

Explicatia de mai sus duce la o idee profunda: informatia 3D despre steaua implodata poate fi codificata în orizontul bidimensional al gaurii negre subsecvente – asemanator cu imaginea 3D a unui obiect codificat într-o holograma 2D.

Susskind si ‘t Hooft au extrapolat acest principiu la nivelul întregului Univers, pornindu-se de la faptul ca Universul are, de asemenea, un orizont – granita ai carei fotoni nu au avut timp sa ajunga la noi, în cele 13,7 miliarde de ani, cât reprezinta vârsta Universului. Mai mult, câtiva fizicieni specialisti în teoria stringurilor, printre care îl amintim pe Juan Maldena de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, au confirmat ca aceasta idee este una demna de luat în seama. Maldacena a aratat ca fizica unui univers teoretic cu 5 dimensiuni este aceeasi cu fizica „învelisului”, granitei unui univers cu 4 dimensiuni.

Universul ca holograma si GEO600 (2)

Textul de mai sus reprezinta traducerea articolului Our world may be a giant hologram, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabila pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd si New Scientist neasumându-si nicio responsabilitate în aceasta privinta.

View the original article here

Universul ca hologramă. Implicaţii (3)

În ultima parte a articolului privind principiul holografic si posibila detectare a granularitatii spatiu-timpului în cadrul experimentului GEO600, „vânator” de unde gravitationale, vorbim despre posibilitatile de testare si implicatiile confirmarii principiului.

Universul ca holograma si GEO600 (2)

În ciuda faptului ca daca Hogan are dreptate, zgomotul holografic va zadarnici eforturile echipei GEO600 de a detecta undele gravitationale, Danzmann este optimist: „Chiar daca va fi limitata sensibilitatea GEO600 pentru o anumita banda de frecventa, va fi un pret pe care vom fi bucurosi sa-l platim în schimbul primei detectii a granularitatii spatiu-timpului. Puteti paria ca vom fi multumiti. Ar fi una dintre cele mai importante descoperiri pe o perioada lunga de timp”.

However Danzmann este însa circumspect privind ideile avansate de catre Hogan si crede ca mai este necesara înca multa munca teoretica. „Este incitant, dar nu este înca o teorie, ci mai mult o idee”. Ca multi altii, Denzmann crede ca este prea devreme pentru a se face afirmatii definitive. „Sa asteptam si sa vedem. Credem ca suntem cu un an prea devreme pentru a ne entuziasma”.

Cu cât misterul dureaza mai mult, cu atât este mai puternica motivatia pentru a construi un instrument dedicat descoperii zgomotului holografic. John Cramer de la Universitatea Washington din Seattle este de acord. Acesta crede ca a fost un accident fericit ca predictiile lui Hogan sa fie conectate la experimentul efectuat de GEO600. „Pare evident ca ar fi putut fi instalate capacitati de testare superioare daca experimentele s-ar fi focalizat pe masurarea si identificarea zgomotului holografic si al fenomenelor conexe”.

O posibilitate ar fi, conform celor spuse de Hogan, sa se foloseasca un instrument numit interferometru atomic. Acesta opereaza folosind acelasi principiu ca detectoarele pe baza de laser, dar folose?te fascicule formate din atomi raciti foarte mult, nu lumina. Pentru ca atomii se pot comporta ca unde, cu o lungime de unda mult mai mica decât cea a luminii, interferometrele atomice sunt semnificativ mai mici si, de aceea, mai ieftin de construit decât detectoarele de unde gravitationale.

Ce ar însemna daca zgomotul holografic ar fi detectat? Care ar fi implicatiile pentru fizica?

Cramer leaga aceasta descoperire de detectarea unui zgomot neasteptat de catre o antena la Laboratoarele Bell în 1964. Acest zgomot s-a dovedit a fi radiatia cosmica de fond, ramasita a exploziei initiale, Big Bangul. „Aceasta descoperire a dus la acordarea Premiului Nobel lui Arno Penzias si lui Robert Wilson, dar a si confirmat teoria Big Bangului, deschizând un nou domeniu de studiu în cosmologie”.

Hogan este mai concret. „Am observa direct cuante de timp. Este cel mai mic interval de timp posibil – lungimea lui Planck împartita la viteza luminii”. Si mai important, confirmarea principiului holografic ar însemna un mare ajutor pentru cercetatorii care încearca sa unifice mecanica cuantica si teoria gravitatiei a lui Einstein. Astazi cea mai populara abordare a gravitatiei cuantice este teoria stringurilor, despre care savantii spera sa poata descrie Universul la nivelul sau fundamental. Dar nu este numai atât. „Spatiul-timp holografic este folosit în anumite abordari ale gravitatiei cuantice care au o puternica conexiune cu teoria stringurilor” afirma Cramer. „În consecinta, anumite teorii ale gravitatiei cuantice pot fi invalidate, iar altele întarite”. Hogan crede ca daca principiul holografic este confirmat, acesta va elimina toate abordarile gravitatiei cuantice care nu încorporeaza principiul holografic. Dar teoriile care îl încorporeaza, incluzând unele care deriva din teoria stringurilor (numite teoria matricei) vor fi sprijinite în acest fel. „În final, am putea avea primul indiciu privind modul în care spatiul-timpul emerge din teoria cuantica”. Dupa cât de impredictibile pot fi evolutiile unei descoperiri întâmplatoare, este greu sa avansam idei mai incitante decât am facut-o mai sus…

Sfârsit

Textul de mai sus reprezinta traducerea articolului Our world may be a giant hologram, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabila pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd si New Scientist neasumându-si nicio responsabilitate în aceasta privinta.

View the original article here

Universul ca hologramă şi GEO600 (2)

Principiul holografic schimba radical conceptia noastra despre spatiu-timp. Fizica teoretica a considerat pentru multa vreme ca efectele cuantice produc convulsii haotice la scara mica. La acest nivel al realitatii „tesatura” spatiu-timpului devine granulara.

Este Universul o holograma? De ce? (1)

Acesta „tesatura” (eng.fabric) este constituita, în ultima instanta, din mici unitati, asemanatoare pixelilor, dar care sunt de sute de miliarde de miliarde de ori mai mici decât un proton. Aceasta distanta este cunoscuta drept „lungimea Planck”, care masoara 10-35 metri.

Lungimea Planck este imposibil de abordat prin vreun experiment uman, asa ca nimeni nu a îndraznit sa viseze ca granularitatea spatiu-timpului poate fi observata. Cel putin pâna când Craig Hogan a realizat ca principiul holografic schimba totul. Daca spatiu-timpul este o holograma granulara, atunci putem întelege Universul ca o sfera a carei suprafata exterioara este împartita în patrate de lungime Planck, fiecare continând un bit de informatie. Principiul holografic afirma ca informatia din interiorul Universului este aceeasi cu informatia continuta pe granita / suprafata exterioara Universului.

Cum volumul Universului sferic este mult mai mare decât suprafata sa exterioara, cum poate fi acest lucru adevarat? Craig Hogan a realizat ca pentru a avea aceeasi cantitate de informatie în interiorul sferei (Universului) si pe suprafata sa exterioara, interiorul Universului trebuie sa fie facut din granule mai mari decât lungimea Planck. „Ori, pentru a spune altfel, un univers holografic este pixelat„, afirma Hogan.

Aceasta este o veste buna pentru oricine încearca sa determine cea mai mica unitate de spatiu-timp. „Contrar tuturor asteptarilor, structura cuantica microscopica devine astfel posibil de determinat în cadrul experimentelor curente”. Asadar, în timp ce lungimea Planck este prea mica pentru a o detecta prin experimente, proiectia holografica a unei granule ar putea fi mult, mult mai mare, în jur de de 10-16 metri. Am putea determina daca traim într-o holograma tocmai prin masurarea dimensiunilor acestor pixeli holografici.

Când si-a dat seama de acestea, Craig Hogan s-a întrebat daca exista vreun experiment în desfasurare care ar fi capabil sa detecteze aceasta pixelare holografica a spatiu-timpului. Atunci a aparut GEO600 în peisaj.

Detectoarele de unde gravitationale ca GEO600 sunt instrumente incredibil de precise. Ideea din spatele unui asemenea detector este aceea ca daca o unda gravitationala trece prin GEO600, aceasta va modifica spatiul, marindu-l într-o directie si comprimându-l în alta. Pentru a masura astfel de modificari, GEO600 foloseste un singur laser, al carui fascicul este „spart” în doua directii de o oglinda argintata (beam splitter). Cele doua fascicule sunt directionate catre capetele „bratelor” instrumentului, care se afla la 600 de metri de oglinda, de unde laserul este reflectat înapoi. Cele doua fascicule se reîntâlnesc la nivelul splitterului si creeaza o un model de interferenta format din regiuni mai luminoase si mai întunecoase, undele de lumina anulându-se ori potentându-se una pe alta. Orice modificare a pozitiilor acestor regiuni formate în urma întâlnirii celor doua fascicule laser ne spune ca lungimea unuia dintre cele doua „brate” ale detectorului s-a schimbat. „Acest tip de experiment poate detecta modificari ale lungimii „bratelor” mai mici decât diametrul unui proton”.

Ar putea, prin urmare, sa detecteze o proiectie holografica a unei entitati de spatiu-timp? Dintre cele 5 detectoare de unde gravitationale existente pe Terra, Hogan a realizat ca GEO600 are cea mai mare sensibilitate a instrumentelor de masura si ar fi de cel mai mare folos pentru ceea ce-si doreste sa descopere. El a prezis ca daca splitterul folosit în experiment este afectat de convulsiile spatiu-timpului, acest lucru va fi evidentiat în masuratorile efectuate. „Aceasta instabilitate aleatoare va produce un zgomot în semnalul laserului”.

În iunie Hogan si-a facut cunoscuta ideea echipei GEO600. „Incredibil, am descoperit ca în cadrul experimentului s-a observat un zgomot neasteptat” îsi aminteste savantul. Principalul analist al GEO600, Karsten Danzmann de la Institutul Max Planck pentru Fizica Gravitationala din Potsdam, Germania admite ca zgomotul detectat, cu frecvente între 300 si 1500 de herti le-a dat multe batai de cap specialistilor. Danzmann i-a raspuns lui Hogan si i-a trimis si date despre zgomot. „Arata exact cu predictia mea. Este ca si cum splitterul ar avea niste fluctuatii laterale”, afirma Hogan. Rezultatele aratau ca si cum convulsiile cuantice ar provoca aceste fluctuatii.

Nimeni, nici macar Hogan, nu afirma în mod deschis ca GEO600 a gasit dovezi care sa ne asigure ca traim într-un univers holografic. Este mult prea devreme pentru a spune asa ceva. „Zgomotul descoperit ar putea avea alta sursa”. Detectoarele de unde gravitationale sunt instrumente foarte sensibile, iar cei care le opereaza trebuie sa depuna eforturi deosebite pentru a înlatura orice interferen?a care le afecteaza munca. Ei trebuie sa ia în calcul norii, traficul, miscarile seismice de diverse intensitati si multe alte surse care pot ascunde, prin zgomotul produs, semnalul util. „Rutina zilnica de îmbunatatire a sensibilitatii instrumentelor noastre înseamna si eliminarea unei parti din zgomotul în exces” declara Danzmann. „Lucram pentru a identifica motivul, îl eliminam si atacam urmatoarea sursa de zgomot”. În prezent nu exista însa niciun candidat pentru zgomotul pe care îl observa GEO600. „Din acest punct de vedere as considera situatia neplacuta, dar nu realmente îngrijoratoare”.

Pentru o vreme cercetatorii de la GEO600 au crezut ca zgomotul pentru care a aratat interes Hogan era generat de fluctuatiile de temperatura de-a lungul splitterului. Dar cercetatorii au calculat ca aceste fluctuatii ar putea fi responsabile pentru cel mult o treime din zgomotul existent.

Danzmann ne anunta ca modernizari planificate ale detectorului vor îmbunatati sensibilitatea GEO600 si vor elimina alte câteva surse de zgomot. „Daca zgomotul ramâne si dupa aceste modernizari, atunci va trebui sa ne gândim din nou ce ar putea însemna acest zgomot”.

Daca GEO600 a descoperit realmente zgomotul holografic produs de convulsiile cuantice ale spatiu-timpului, acest lucru reprezinta o sabie cu doua taisuri pentru cercetatorii care sunt în cautarea undelor gravitationale. Pe de-o parte zgomotul interfereaza nefast cu încercarile lor de a detecta undele gravitationale. Pe de alta parte, noua descoperire ar fi chiar mai importanta.

O atare situatie nu ar fi unica în istoria fizicii. Detectoare gigantice, construite pentru a cauta forme ipotetice de radiatie care ar fi produse de dezintegrarea protonilor nu au gasit nimic din ce cautau. În schimb, au descoperit ca neutrinii se pot schimba dintr-un tip în altul, probabil o descoperire mult mai importanta, pentru ca ne spune cum Universul a ajuns sa fie „umplut” cu materie, în defavoarea antimateriei. Ar fi ironic daca un instrument proiectat pentru a detecta ceva atât de mare ca sursele astronomice ale undelor gravitationale vor descoperi, în schimb, granulele minuscule ale spatiu-timpului. „Vorbind ca un cercetator în fizica fundamentala, eu cred ca descoperirea zgomotului holografic ar fi una mult mai importanta,” spune Hogan.

Universul ca holograma. Implicatii (3)

Textul de mai sus reprezinta traducerea articolului Our world may be a giant hologram, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabila pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd si New Scientist neasumându-si nicio responsabilitate în aceasta privinta.

View the original article here