nauka

Fermilab przygotowuje eksperyment, dzięki któremu dowiemy się czy rzeczywistość jest hologramem

Ludzkość chyba od zawsze zadawała sobie pytanie o naturę wszechświata. Dzięki chęci poznania i zrozumienia otaczającego nas świata dowiedzieliśmy się między innymi, że składa się on z atomów, że E=mc^2, a galaktyki coraz szybciej oddalają się od siebie. Jeśli przygotowywany właśnie przez naukowców z amerykańskiego Fermi National Laboratory eksperyment się powiedzie, może się okazać, że cały nasz wszechświat jest tylko hologramem.

Choć brzmi to zaskakująco, nie jest to wykluczone. Przynajmniej w świetle nowych odkryć w dziedzinie fizyki. Kilka lat temu grupa naukowców pracujących z hanowerskim wykrywaczem fal grawitacyjnych GEO 600, zauważyła dziwne szumy rejestrowane przez ich urządzenie. Większość z nich ostatecznie udało się wyeliminować lub wyjaśnić ich pochodzenie, ale zagadka pochodzenia części z nich pozostała nierozwiązana. Do czasu, aż profesor Craig Hogan, fizyk z Fermilab, nie zaproponował interesującej teorii – szum pochodzi z granicy czasoprzestrzeni, z miejsca w którym czas i przestrzeń przestają być kontinuum. Po przekroczeniu tego punktu czas i przestrzeń przestają tworzyć gładką falę, a zamiast tego skupiają się w osobne „ziarna czasoprzestrzeni”.

„Jeśli wyniki uzyskane przez GEO 600 są tym, co podejrzewam, to wszyscy żyjemy w wielkim kosmicznym hologramie,” mówił wtedy profesor Hogan.

Ale co szumy mają wspólnego z hologramami? Przede wszystkim chodzi o hologram w ujęciu ścisłym, czyli zapis na dwuwymiarowym nośniku informacji pozwalających pozwalających na odtworzenie trójwymiarowego obrazu. Teoria hologramu, lub inaczej zasada holograficzna, którą jako rozwiązanie zagadki szumów rejestrowanych przez GEO 600 zaproponował profesor Hogan, sięga swoimi początkami do lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Wtedy to Stephen Hawking przewidział teoretycznie, że czarne dziury „parują” by ostatecznie zniknąć. Do tej pory nie udało się co prawda zaobserwować promieniowania Hawkinga, ale ta teoria ma poważniejszą wadę – prowadzi do paradoksu informacyjnego czarnej dziury.

Problem w tym, że postulowane wtedy przez Hawkinga promieniowanie (w tym roku fizyk opublikował pracę, która postuluje inne rozwiązanie tego problemu) nie jest w żaden sposób powiązane z informacjami na temat materii absorbowanej przez czarną dziurę. Oznacza to, że wszystkie dane dotyczące między innymi gwiazdy, z której ona powstała, są bezpowrotnie tracone. To z kolei stoi w sprzeczności z teorią mówiącą o tym, że informacja nie może zostać zniszczona.

Tymczasem inny fizyk, Jacob Bekenstein uważał, że czarne dziury są nie tylko obiektami posiadającymi entropię (a informacja jest miarą entropii), ale ich entropia przyjmuje maksymalną możliwą wartość. Bekensteinowi udało się wykazać, że entropia czarnej dziury jest proporcjonalna do powierzchni horyzontu zdarzeń, a także, że w przypadku zwiększenia się entropii czarnej dziury o jeden bit informacji, pole powierzchni horyzontu zdarzeń zwiększa się o mniej więcej jedną długość Plancka do kwadratu.

Rozwinięciem tych rozważań jest właśnie zasada holograficzna opracowana przez Gerardusa ‚t Hoofta i Leonarda Susskinda. Teoria ta przewiduje, że opis każdego trójwymiarowego ciała zawarty jest na jego dwuwymiarowej powierzchni. W przypadku czarnej dziury informacje na temat gwiazdy, z której powstała, byłyby więc zakodowane na dwuwymiarowym horyzoncie zdarzeń. W szerszym ujęciu cały wszechświat mógłby być więc postrzegany jako dwuwymiarowa struktura „namalowana” na horyzoncie kosmologicznym – byłby hologramem.

Kodowanie informacji wymaga jednak czegoś, co może funkcjonować jak poszczególne jej bity. Według zasady holograficznej jeśli bity opisujące rzeczywistość mają rozmiar jednej długości Plancka, to „ziarna czasoprzestrzeni” są znacznie większe, ponieważ miałyby one rozmiar około 10^-16 metra. A to można już zaobserwować w detektorach fal grawitacyjnych takich jak GEO 600. Właśnie jako szum.

Na razie to oczywiście jedynie teoria, ale zespół profesora Hogana obecnie pracuje nad eksperymentem, który może ją potwierdzić.

Budowany przez nich obecnie „holometr” składać będzie się z dwóch laserów o dużej mocy, których wiązki zostaną rozdzielone i wysłane prostopadle do siebie wzdłuż dwóch ramion o długości 40 metrów. Na końcu każdego z nich znajdować się będą zwierciadła, od których wiązki mają się odbić z powrotem w kierunku rozdzielacza. Naukowcy z Fermilab mają nadzieję, że kiedy promienie trafią w rozdzielacz po raz drugi, poruszy się on, co spowoduję okresową zmianę w jasności połączonej wiązki świetlnej. Jeśli rzeczywiście tak się stanie, będzie to oznaczało, że przestrzeń cały czas wibruje, tak jak fala. W tym wypadku dwuwymiarowa fala, a rozdzielacz porusza się wraz z jej grzbietem.

Jeśli rzeczywiście naukowcy z Fermilab otrzymają taki wynik, będzie to znacząca zmiana w naszym sposobie postrzegania rzeczywistości. Byłoby to potwierdzenie nie tylko tego, że żyjemy na dwuwymiarowej projekcji trójwymiarowej rzeczywistości, ale też tego, że informacje na temat tej projekcji rzeczywiście przechowywane są w dwuwymiarowych bitach mniejszych o całe rzędy wielkości od atomów.

„Jeśli myślicie o rzeczywistości jako o ogromnym komputerze, to macie rację. Suma wszystkich informacji w nim zawartych jest skończona. Ostatecznie oznacza to, że jest pewien limit tego co możemy zmierzyć, pomyśleć lub zrobić,” twierdzi Hogan.

Praktyczne konsekwencje eksperymentalnego potwierdzenia zasady holograficznej trudno sobie nawet wyobrazić – w końcu podczas pracy nad ogólną teorią względności Einstein raczej nie zakładał, że jego równania posłużą kiedyś na przykład do budowy systemu nawigacji satelitarnej. Dlatego zespół Hogana skupia się na przygotowaniach do swojego eksperymentu. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, w ciągu roku powinniśmy się dowiedzieć, czy żyjemy na hologramie.

Zdjęcie: Fermilab


podobne treści