Jak podaje czasopismo New Scientist, eksperyment naukowy przeprowadzony przez niemieckich naukowców o nazwie GEO600 w celu poszukiwania fal grawitacyjnych, który trwa od siedmiu lat, przyniósł nieoczekiwane rezultaty.
Za pomocą specjalnego urządzenia - interferometru - fizycy zamierzali naukowo potwierdzić jeden z wniosków teorii względności Einsteina.
Zgodnie z tą teorią we Wszechświecie występują tak zwane fale grawitacyjne - zaburzenia pola grawitacyjnego, „zmarszczki” struktury czasoprzestrzeni.
Rozchodzące się z prędkością światła fale grawitacyjne prawdopodobnie generują nierównomierne ruchy masowe dużych obiektów astronomicznych: powstawanie lub zderzenia czarnych dziur, wybuchy supernowych itp.
Nauka wyjaśnia nieobserwowalność fal grawitacyjnych faktem, że efekty grawitacyjne są słabsze niż elektromagnetyczne. Naukowcy, którzy rozpoczęli swój eksperyment jeszcze w 2002 roku, spodziewali się wykrycia tych fal grawitacyjnych, które mogą później stać się źródłem cennych informacji o tak zwanej ciemnej materii, z której zasadniczo składa się nasz Wszechświat.
Do tej pory GEO600 nie był w stanie wykryć fal grawitacyjnych, jednak najwyraźniej naukowcom za pomocą urządzenia udało się dokonać największego odkrycia w dziedzinie fizyki ostatniego półwiecza.
Przez wiele miesięcy eksperci nie mogli wyjaśnić natury dziwnych dźwięków zakłócających działanie interferometru, aż nagle fizyk z laboratorium naukowego Fermilab udzielił wyjaśnienia.
Zgodnie z hipotezą Craiga Hogana, aparat GEO600 zderzył się z podstawową granicą kontinuum czasoprzestrzennego - punktem, w którym czasoprzestrzeń przestaje być ciągłym kontinuum opisanym przez Einsteina i rozpada się na „ziarna”, jakby powiększone kilkakrotnie zdjęcie zamieniało się w skupisko oddzielnych punktów …
Film promocyjny:
„Wygląda na to, że GEO600 natknął się na mikroskopijne oscylacje kwantowe czasoprzestrzeni” - zasugerował Hogan.
Jeśli ta informacja nie wydaje ci się wystarczająco sensacyjna, posłuchaj dalej: „Jeśli GEO600 natknie się na to, co przypuszczam, oznacza to, że żyjemy w gigantycznym kosmicznym hologramie”.
Sam pomysł, że żyjemy w hologramie, może wydawać się śmieszny i absurdalny, ale jest to tylko logiczna kontynuacja naszego rozumienia natury czarnych dziur, opartego na całkowicie dających się udowodnić podstawach teoretycznych.
Co dziwne, „teoria hologramu” znacząco pomogłaby fizykom w ostatecznym wyjaśnieniu, jak wszechświat działa na podstawowym poziomie.
Znane nam hologramy (jak na przykład na kartach kredytowych) nakładane są na dwuwymiarową powierzchnię, która zaczyna wydawać się trójwymiarowa, gdy promień światła pada na nią pod pewnym kątem.
W latach 90. laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Gerardt Huft z Uniwersytetu w Utrechcie (Holandia) i Leonard Susskind z Uniwersytetu Stanforda (USA) zasugerowali, że podobną zasadę można zastosować do wszechświata jako całości. Nasze codzienne życie samo w sobie może być holograficzną projekcją procesów fizycznych zachodzących w dwuwymiarowej przestrzeni.
Bardzo trudno uwierzyć w „holograficzną zasadę” struktury Wszechświata: trudno sobie wyobrazić, że budzisz się, myjesz zęby, czytasz gazety czy oglądasz telewizję tylko dlatego, że gdzieś na granicach Wszechświata zderzyło się ze sobą kilka gigantycznych obiektów kosmicznych.
Nikt jeszcze nie wie, co będzie dla nas oznaczać „życie w hologramie”, ale fizycy teoretycy mają wiele powodów, aby sądzić, że pewne aspekty holograficznych zasad funkcjonowania Wszechświata są rzeczywistością.
Wnioski naukowców opierają się na fundamentalnym badaniu właściwości czarnych dziur, które zostało przeprowadzone przez słynnego fizyka teoretycznego Stephena Hawkinga wraz z Rogerem Penrose.
W połowie lat siedemdziesiątych naukowiec zbadał podstawowe prawa rządzące wszechświatem i wykazał, że z teorii względności Einsteina wynika, że czasoprzestrzeń zaczyna się w Wielkim Wybuchu, a kończy w czarnych dziurach.
Wyniki te wskazują na potrzebę połączenia badań teorii względności z teorią kwantów. Jedną z konsekwencji tego połączenia jest twierdzenie, że czarne dziury w rzeczywistości nie są całkowicie „czarne”: w rzeczywistości emitują promieniowanie, co prowadzi do ich stopniowego wyparowywania i całkowitego zaniku.
W ten sposób powstaje paradoks, zwany „paradoksem informacyjnym czarnych dziur”: uformowana czarna dziura traci swoją masę, promieniując energią. Kiedy czarna dziura znika, wszystkie wchłonięte przez nią informacje są tracone. Jednak zgodnie z prawami fizyki kwantowej nie można całkowicie utracić informacji.
Kontrargument Hawkinga: intensywność pól grawitacyjnych czarnych dziur jest jak dotąd niezrozumiała, odpowiada prawom fizyki kwantowej. Kolega Hawkinga, fizyk Bekenstein, przedstawił ważną hipotezę, która pomaga rozwiązać ten paradoks.
Postawił hipotezę, że czarna dziura ma entropię proporcjonalną do pola powierzchni jej warunkowego promienia. Jest to rodzaj teoretycznego obszaru, który maskuje czarną dziurę i wyznacza punkt, w którym nie ma powrotu materii ani światła. Fizycy teoretyczni udowodnili, że mikroskopijne kwantowe fluktuacje warunkowego promienia czarnej dziury mogą kodować informacje wewnątrz czarnej dziury, więc nie ma utraty informacji, która znajduje się w czarnej dziurze w czasie jej parowania i znikania.
Można zatem założyć, że trójwymiarowa informacja o pierwotnej substancji może być w całości zakodowana w dwuwymiarowym promieniu czarnej dziury powstałej po jej śmierci, mniej więcej tak, jak trójwymiarowy obraz obiektu jest kodowany za pomocą dwuwymiarowego hologramu.
Zuskind i Huft poszli jeszcze dalej, stosując tę teorię do budowy Wszechświata, opierając się na fakcie, że przestrzeń ma również promień warunkowy - płaszczyznę graniczną, poza którą światło nie zdołało jeszcze przeniknąć przez 13,7 miliarda lat istnienia Wszechświata.
Co więcej, Juan Maldacena, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Princeton, był w stanie udowodnić, że te same prawa fizyczne będą działać w hipotetycznym pięciowymiarowym wszechświecie, jak w czterowymiarowej przestrzeni.
Zgodnie z teorią Hogana, holograficzna zasada istnienia Wszechświata radykalnie zmienia nasz znajomy obraz czasoprzestrzeni. Przez długi czas fizycy teoretyczni wierzyli, że efekty kwantowe mogą powodować chaotyczne pulsowanie czasoprzestrzeni na marną skalę.
Na tym poziomie pulsacji tkanka kontinuum czasoprzestrzennego staje się „ziarnista” i jakby zbudowana z najmniejszych cząstek, podobnych do pikseli, tylko setki miliardów razy mniejszych od protonu. Ta miara długości nazywana jest „długością Plancka” i przedstawia liczbę 10–35 m.
Obecnie podstawowe prawa fizyczne zostały przetestowane empirycznie do odległości 10-17, a długość Plancka uważano za nieosiągalną, dopóki Hogan nie zdał sobie sprawy, że zasada holograficzna zmienia wszystko.
Jeśli kontinuum czasoprzestrzenne jest ziarnistym hologramem, to Wszechświat można przedstawić jako kulę, której zewnętrzna powierzchnia pokryta jest najmniejszymi powierzchniami o długości 10-35 m, z których każda zawiera informację.
Zasada holograficzna mówi, że ilość informacji pokrywająca zewnętrzną część sfery-Wszechświata musi odpowiadać liczbie bitów informacji zawartych w wolumetrycznym Wszechświecie.
Ponieważ objętość kulistego wszechświata jest znacznie większa niż cała jego zewnętrzna powierzchnia, powstaje pytanie, jak można przestrzegać tej zasady? Hogan zasugerował, że fragmenty informacji składające się na „wnętrze” wszechświata powinny być większe niż długość Plancka. „Innymi słowy, holograficzny wszechświat jest jak niewyraźny obraz” - mówi Hogan.
To dobra wiadomość dla tych, którzy szukają najmniejszych cząstek czasoprzestrzeni. „Wbrew powszechnym oczekiwaniom mikroskopijna struktura kwantowa jest łatwo dostępna do badań” - powiedział Hogan.
Chociaż nie można wykryć cząstek o wymiarach równych długości Plancka, holograficzna projekcja tych „ziaren” wynosi około 10-16 m. Kiedy naukowiec wyciągnął wszystkie te wnioski, zastanawiał się, czy możliwe jest eksperymentalne określenie tego holograficznego rozmycia przestrzeni. czas. A potem z pomocą przyszedł GEO600.
Urządzenia takie jak GEO600, które są zdolne do wykrywania fal grawitacyjnych, działają na następującej zasadzie: jeśli fala grawitacyjna przejdzie przez nie, rozciąga przestrzeń w jednym kierunku i ściska ją w drugim.
Aby zmierzyć przebieg, naukowcy kierują wiązkę lasera przez specjalne lustro zwane rozdzielaczem wiązki. Dzieli wiązkę lasera na dwie wiązki, które przechodzą przez 600-metrowe prostopadłe pręty i wracają z powrotem.
Powracające promienie są ponownie łączone w jedno i tworzą interferencyjny wzór jasnych i ciemnych obszarów, w których fale świetlne albo zanikają, albo się wzmacniają. Jakakolwiek zmiana położenia tych sekcji wskazuje, że zmieniła się względna długość prętów. Zmiany długości mniejsze niż średnica protonu można wykryć eksperymentalnie.
Gdyby GEO600 rzeczywiście wykrył holograficzny szum pochodzący z kwantowych wibracji czasoprzestrzeni, byłby to miecz obosieczny dla badaczy: z jednej strony hałas przeszkadzałby w ich próbach „złapania” fal grawitacyjnych.
Z drugiej strony może to oznaczać, że naukowcom udało się dokonać znacznie bardziej fundamentalnego odkrycia, niż początkowo sądzono. Jest jednak pewna ironia losu: urządzenie zaprojektowane do przechwytywania fal będących konsekwencją interakcji największych obiektów astronomicznych, znalazło coś tak mikroskopijnego, jak „ziarna” czasoprzestrzeni.
Im dłużej naukowcy nie mogą rozwikłać tajemnicy szumu holograficznego, tym ostrzejsza staje się kwestia prowadzenia dalszych badań w tym kierunku. Jedną z możliwości badawczych może być zaprojektowanie tzw. Interferometru atomowego, którego zasada działania jest zbliżona do GEO600, ale zamiast wiązki laserowej zastosowany zostanie niskotemperaturowy strumień atomów.
Co będzie oznaczać dla ludzkości odkrycie szumu holograficznego? Hogan jest przekonany, że ludzkość jest o krok od wykrycia kwantu czasu. „To najmniejszy możliwy przedział czasu: długość Plancka podzielona przez prędkość światła” - mówi naukowiec.
Jednak przede wszystkim możliwe odkrycie pomoże naukowcom próbującym połączyć mechanikę kwantową i teorię grawitacji Einsteina. Najpopularniejszą w świecie nauki jest teoria strun, która zdaniem naukowców pomoże opisać wszystko, co dzieje się we wszechświecie na podstawowym poziomie.
Hogan zgadza się, że jeśli udowodnione zostaną zasady holograficzne, żadne podejście do badania grawitacji kwantowej nie będzie odtąd rozważane poza kontekstem zasad holograficznych. Wręcz przeciwnie, będzie to bodziec dla dowodów teorii strun i macierzy.
„Być może mamy w naszych rękach pierwszy dowód na to, jak czasoprzestrzeń wynika z teorii kwantowej” - zauważył naukowiec.