Mūsų pasaulis - gigantiška holograma?

Pastaruosius septynerius metus šis vokiečių statinys ieškojo gravitacinių bangų - supertankių astronominių objektų, tokių kaip neutroninės žvaigždės ir juodosios skylės sukeltų erdvėlaikio svyravimų. Kol kas GEO600 gravitacinių bangų aptikti nepavyko, tačiau jis gali būti visai neplanuotai padaręs patį svarbiausią pastarosios šimtmečio pusės fizikinį atradimą.

Daugelį mėnesių GEO600 komandos nariai laužė galvas, bandydami suprasti nepaaiškinamą jų gigantiškam detektoriui trukdantį triukšmą. Būtent tada atsirado vienas mokslininkas, kuris ne tik pateikė tikėtiną versiją, bet ir numatė šį triukšmą dar prieš tai, kai jis buvo užregistruotas. Batavijoje (Ilinojus, JAV) įsikurusios Fermilab dalelių fizikos laboratorijos fizikas Craig'as Hogan'as mano, kad GEO600 susidūrė su fundamentalia erdvėlaikio riba - tašku, ties kuriuo erdvėlaikis nustoja elgtis tarsi vienalytis Einšteino aprašytas kontinuumas ir vietoj to išsiskaido į "granules" - lygiai taip pat, kaip į taškus išsiskaido fotografija laikraštyje į ją pažvelgus per padidinamąjį stiklą. "Panašu kad GEO600 blaško mikroskopinės kvantinės erdvėlaikio konvulsijos", sako Hogan'as.

Jei tai jūsų nestebina, tai Hogan'as (kuris visai neseniai buvo paskirtas Fermilab centro "Fermilab Center for Particle Astrophysics" direktoriumi), pateikia dar vieną siurprizą: "Jei GEO600 aptiko tai, ką aš įtariu, tada mes visi gyvename gigantiškoje kosminėje hologramoje".

Pati idėja, kad mes galime gyventi hologramoje, tikriausiai skamba absurdiškai, tačiau ji neįtikėtinai puikiai padeda fundamentaliuosius visatos veikimo principus bandantiems paaiškinti fizikams. Tos hologramos, kurias matote ant kreditinių kortelių arba banknotų, yra išraižytos dvimatėse plastmasinėse plėvelėse. Šviesai atsispindint nuo jų atkuriamas trimatis (3D) vaizdas. Aštuntajame dešimtmetyje fizikai Leonardas Susskind'as ir Nobelio premijos laureatas Gerard 't Hooft'as pasiūlė mintį, kad tą patį principą būtų galima pritaikyti visatai kaip vienai visumai. Mūsų kasdienė patirtis gali būti holografinė projekcija tų fizikinių procesų, kurie vyksta tolimame dvimačiame (2D) paviršiuje.

"Holografinis principas" meta iššūkį mūsų suvokimui. Atrodo sunku patikėti, kad atsikeli ryte, išsivalai dantis ir skaitai šį straipsnį tik todėl, kad kažkas vyksta ties mūsų visatos pakraščiu. Niekas negali pasakyti, kaip pasikeistų mūsų gyvenimas jie tiksliai žinotume, kad gyvename hologramoje, tačiau teoretikai turi rimto pagrindo manyti, kad daugelis holografinio principo aspektų yra teisingi.

Susskind'o ir 't Hooft'o idėja remiasi revoliuciniu darbu apie juodąsias skyles, kurio autoriai - Jėruzalės Žydų Universiteto (Izraelis) mokslininkas Jacob'as Bekenstein'as ir Kembridžo Universiteto mokslininkas Stephen'as Hawking'as. Septintojo dešimtmečio viduryje Hawking'as pateikė hipotezę, kad juodosios skylės iš tiesų nėra visiškai "juodos" - jos lėtai spinduliuoja radiaciją, dėl ko jos "garuoja" ir galiausiai išnyksta. Tai kelia naują galvosūkį, nes Hawking'o radiacija neduoda jokios užuominos apie tai, kas yra juodosios skylės viduje. Kai juodoji skylė išnyksta, visa informacija apie žvaigždę, kuri kolapsavo į juodają skylę taip pat dingsta, o tai prieštarauja plačiai pripažintam principui kad informacija negali būti sunaikinta. Šiuo metu tai žinoma informacinio juodosios skylės paradokso (angl. black hole information paradox) pavadinimu.

Bekenstein'o darbas pateikė šiam paradoksui išspręsti reikalingą svarbų įrankį. Jis atrado, kad juodosios skylės entropija - kuri yra šio objekto informacinio turinio sinonimas - yra proporcinga jos įvykių horizonto paviršiaus plotui. Tai yra teorinis paviršius, kuris dengia juodąją skylę ir žymi ribą ties kuria patekusi materija arba šviesa nebegali ištrūkti iš skylės gravitacinio lauko. Nuo to laiko teoretikai yra įrodę, kad ties įvykių horizontu atsirandantys mikroskopiniai kvantiniai bangavimai  gali koduoti juodosios skylės viduje esančią informaciją, taigi juodajai skylei garuojant nėra jokio informacijos praradimo.

Iš esmės čia slypi gili fizikinio pobūdžio įžvalga: 3D informacija apie žvaigždę pirmtakę gali būti pilnutinai užkoduota dvimačiame vėliau atsiradusios juodosios skylės įvykių horizonte - panašiai kaip ir objekto trimatis vaizdas užkoduojamas dvimatėje hologramoje. Susskind'as ir 't Hooft'as šią mintį praplėtė ir pritaikė visai visatai kaip visumai, remdamiesi tuo, kad kosmosas taip pat turi savo horizontą - ribą, už kurios esanti šviesa per 13,7 milijardų visatos egzistavimo metų dar nepasiekė mūsų. Įdomu tai, kad keli stygų teorijos šalininkai, ypač Pažangių Tyrimų Instituto (Institute for Advanced Study) Princeton'e mokslininkas Juan'as Maldacena patvirtino, kad idėja yra teisingame kelyje. Jis įrodė, kad hipotetinės penkiamatės visatos viduje galiojantys fizikos dėsniai yra analogiški jos keturmačiame pakraštyje galiojantiems dėsniams.

Hogan'o manymu, holografinis principas radikaliai keičia mūsų supratimą apie erdvėlaikį. Teorinės fizikos atstovai ilgą laiką manė, kad kvantiniai efektai sukelia erdvėlaikio pulsacijas mažyčiame mastelyje. Esant tokiam "išdidinimui" erdvėlaikio medžiaga tampa grūdėta, sudaryta iš mažyčių nuotraukos taškus primenančių dalelių, kurios yra šimtus milijardų milijardų kartų mažesnės už protoną. Šis matmuo yra žinomas Planko ilgio (angl. Planck length) pavadinimu, ir tai sudaro apytiksliai 10^-35 metro. Planko ilgis yra nepasiekiamas bet kokiam žmogiškajam eksperimentui, todėl niekas net nedrįso pasvajoti, kad erdvėlaikio grūdėtumą įmanoma "įžiūrėti".

Ir taip buvo iki pat tol, kol Hogan'as suvokė, kad holografinis principas keičia visą esmę. Jei erdvėlaikis yra iš atskirų grūdelių sudaryta holograma, tada apie visata galima galvoti kaip apie sferą, kurios išorinis paviršius yra padengtas Planko ilgio matmenų kvadratėliais, kurių kiekvienas koduoja vieną informacijos bitą. Šis holografinis principas teigia, kad išorę dengiantis informacijos kiekis turi atitikti visatos tūrio viduje esančių bitų skaičių.

Kadangi sferinės visatos tūris yra daug didesnis nei jos išorinis paviršius, kaip tai gali būti teisinga? Hogan'as suvokė, kad norint į visatos vidų patalpinti tiek pat bitų kiek ir jos paviršiuje, vidinis pasaulis turi būti sudarytas iš didesnių grūdelių nei Planko ilgis. "Arba kitaip tariant, holografinė visata yra 'išsiliejusių' kontūrų", sako Hogan'as.

Tai - geros naujienos visiems kas bando srasti mažiausią erdvėlaikio dalelę. "Priešingai visiems mūsų lūkesčiams, mikroskopinė kvantinė struktūra tampa pasiekiama dabartiniams eksperimentams", sako mokslininkas. Taigi, nors Planko ilgis yra per mažas norint jį aptikti bandymais, holografinė tokio dydžio "grūdelių" projekcija gali būti daug, daug didesnė, ir gali siekti maždaug 10^-16 metro. "Jei jūs gyventumėte hologramoje, jūs apie tai galėtumėte spręsti išmatavę tokį kontūrų išsiliejimą", aiškina Hogan'as. Kai jis pirmą kartą tai suprato, neturėjo jokios idėjos kaip detektuoti tokį holografinį erdvėlaikio "kontūrų išsiliejimą". Būtent tada į sceną įžengė GEO600.

Gravitacinių bangų detektoriai, tokie kaip GEO600, iš esmės yra fantastiškai jautrios liniuotės. Idėja remiasi tuo, kad jei gravitacinė banga praeis per GEO600, ji pakaitomis ištemps erdvę viena kryptimi ir suspaus kita. Tam kad tai išmatuoti GEO600 komanda perleidžia vieną lazerio spindulį pro pusiau permatomą veidrodį, vadinamąjį spindulio daliklį. Šis šviesos srautą padalina į du spindulius, kurie nukreipiami į dvi instrumento 600 metrų ilgio statmenas viena kitai atšakas ir galiausiai atsispindėję vėl grįžta atgal. Grįžtančios šviesos spinduliai ties spindulio skaidytuvu susilieja į vieną. Susidaro interferencinis šviesos raštas - pakaitomis einantys tamsūs ir šviesūs regionai, ties kuriais šviesos bangos arba nuslopina viena kitą, arba sustiprina. Bet koks šių regionų poslinkis rodo, kad santykinis ilgųjų įrenginio atšakų ilgis pakito. "Esminis tokių eksperimentų bruožas yra jų jautris šių 'liniuočių' ilgio pokyčiams, kurie yra gerokai mažesni nei protono skersmuo", sako Hogan'as.

Ar jie galėtų aptikti holografinės erdvėlaikio projekcijos grūdėtumą? Hogan'as suprato, kad iš pasaulyje esančių penkių gravitacinių bangų detektorių būtent anglų-vokiečių vykdomas GEO600 eksperimentas turėtų būti jautriausias tam, apie ką jis galvojo. Jis iš anksto prognozavo, kad jei eksperimente naudojamą spindulio dalintuvą užgrius kvantiniai erdvėlaikio triukšmai, tai atsispindės gautuose rezultatuose (Publikacija: Physical Review D, vol 77, p 104031). "Šis atsitiktinis triukšmas turėtų sukelti triukšma lazerio šviesos signale", sako Hogan'as.

Praėjusį birželį jis nusiuntė savo prognozes GEO600 komandai. "Neįtikėtina, tačiau aš sužinojau, kad eksperimento metu buvo registruojamas netikėtas triukšmas", sako tyrinėtojas. GEO600 projekto tyrimų vadovas Vokietijos Makso Planko Gravitacinės Fizikos Instituto (Max Planck Institute for Gravitational Physics) mokslininkas Karsten'as  Danzmann'as  pripažino, kad jį ir bendradarbius nepaaiškinamas 300-1500 Hz triukšmas kamavo jau ilgą laiką. Jis nusiuntė Hogan'ui atsakymą kartu su triukšmo aprašu. "Jis buvo lygiai toks pats kaip ir mano prognozė - tarsi spindulio dalintuve būtų matuojamas pašalinis kvantinės kilmės triukšmas", sako Hogan'as. 

Kol kas niekas - įskaitant patį Hogan'ą - nesiryžta vienareikšmiškai teigti, kad GEO600 aptiko įrodymų, jog mes gyvename holografinėje visatoje. Kol kas taip manyti dar per anksti. "Gali egzistuoti ir koks nors žemiškos kilmės triukšmo šaltinis", pripažįsta pats Hogan'as. Gravitacinių bangų detektoriai yra ypač jautrūs, todėl su jais dirbantys žmonės turi daugiau nei įprasta stengtis eliminuoti pašalinius triukšmus. Jiems tenka įvertinti netgi dangumi praslenkančius debesis, nutolusius transporto eismo srautus, seisminius virpesius ir daugelį, daugelį kitų šaltinių, galinčių maskuoti ieškomą signalą. "Kasdien didinant tokių eksperimentų jautrį atsiranda vis nauji pašalinio triukšmo šaltiniai. Mes dirbdami stengiamės identifikuoti jų kilmę, atsikratyti jais ir imtis kito šaltinio. Šiuo požiūriu dabartinę situaciją laikyčiau nemalonia, tačiau nekeliančia didesnio nerimo", sako Danzmann'as. Šiuo metu vis dar nėra kitokių idėjų, iš kur gali būti kilęs GEO600 aptinkamas triukšmas.