Είναι το σύμπαν μας ένα δισδιάστατο ολόγραμμα; Do we live in a 2-D hologram? New Fermilab experiment will test the nature of the universe

Ολόμετρο: ένα πείραμα για το ολογραφικό σύμπαν. A Fermilab scientist works on the laser beams at the heart of the Holometer experiment. The Holometer will use twin laser interferometers to test whether the universe is a 2-D hologram. Credit: Fermilab

Το “Ολόμετρο” (Holometer), η συντομογραφία του “Ολογραφικό Συμβολόμετρο“, είναι ένα πείραμα που εξελίσσεται στο εργαστήριο Fermilab, και φιλοδοξεί να απαντήσει σε ένα θεμελιώδες κοσμολογικό ερώτημα: είναι το σύμπαν μας ένα ολόγραμμα.

Σύμφωνα με την ολογραφική αρχή – που έχει τις ρίζες της στην περίφημη φράση του Wheeler “it from bit”, την έμπνευση του Jacob Bekenstein σχετικά με την εντροπία των μαύρων τρυπών, τις εργασίες των Gerard ‘t Hooft και Leonard Susskind κ.ά. – τα πάντα στο εσωτερικό ενός χώρου θα μπορούσαν να περιγραφούν με μπιτ πληροφορίας περιορισμένα στα όρια της περιοχής.

Ο τρισδιάστατος κόσμος της κοινής εμπειρίας – το σύμπαν, με τους γαλαξίες του και τα άστρα, τους πλανήτες, η Γη, τα βουνά, τα κτίρια και οι άνθρωποι μαζί – είναι ένα ολόγραμμα, ένα είδωλο της πραγματικότητας κωδικοποιημένο, σε πίξελ κλίμακας Planck, πάνω σε μια απόμακρη δισδιάστατη επιφάνεια. Και όπως στην περίπτωση ενός κλασικού ολογράμματος, η πληροφορία που βρίσκεται κωδικοποιημένη στο απόμακρο όριο είναι μια πολύ ανακατεμένη αναπαράσταση του τρισδιάστατου πρωτοτύπου.

Η ολογραφική περιγραφή του σύμπαντος προχωράει και παραπέρα. Δεν υπάρχουν δυο οντότητες, τα αντικείμενα και τα είδωλά τους (οι αναπαραστάσεις τους επί των επιφανειών), αλλά μόνο ένα: οι αναπαραστάσεις, μέσω των οποίων ένα σύνολο γεγονότων στην ιστορία του σύμπαντος λαμβάνει πληροφορία για τα άλλα μέρη του κόσμου. Σε έναν τέτοιο κόσμο δεν υπάρχουν παρά διαδικασίες μέσω των οποίων μεταδίδεται πληροφορία από το ένα μέρος στο άλλο.

Hogan’s theoretical work has encompassed many areas of astrophysical cosmology: the origin of the elements, cosmic phase transitions and defects, magnetic fields, background radiation, cosmic reionization, gravitational lensing, cosmic structure and dark matter, global cosmological parameters, and gravitational waves. He was a co-founder of the Large Synoptic Survey Telescope Corporation, and is a US member of the LISA International Science team, which is planning a gravitational wave observatory in space. His research has been recognized by prizes including an Alexander von Humboldt Research Award, and the Gruber Cosmology Prize, awarded to the High-z Supernova Search Team for the co-discovery of cosmic Dark Energy. In his current work he is developing the theory of a proposed new phenomenon, which he calls “holographic noise”, a fundamental, universal uncertainty in the fabric of spacetime, akin to pixelation in an imperfectly sampled digital audio file or video display. The theory may lead to the development of experiments that could allow a direct measurement of the minimum interval of time.

Το Ολόμετρο είναι ένα πείραμα του οποίου ηγείται ο Craig Hogan, διευθυντής του Κέντρου σωματιδιακής αστροφυσικής του Fermilab, που στόχο έχει να απαντήσει πάλι στο ερώτημα (κόντρα στις προηγούμενες αποτυχίες του), αν το σύμπαν μας είναι ένα δισδιάστατο ολόγραμμα.

Σύμφωνα με τον Hogan: «Ψάχνουμε για το αν ο χωροχρόνος είναι ένα κβαντικό σύστημα, ακριβώς όπως η ύλη. Αν βρούμε τέτοιες αποδείξεις, τότε θα αλλάξουν ριζικά οι ιδέες που έχουμε για τον χώρο εδώ και χιλιάδες χρόνια».

Η κβαντική φυσική, μέσω της αρχής της αβεβαιότητας, μας υποδεικνύει ότι είναι αδύνατον να γνωρίζουμε ταυτόχρονα την ακριβή θέση και την ακριβή ταχύτητα ενός σωματιδίου. Αν ο χώρος συνίσταται από δισδιάστατα μπιτ, με αβεβαιότητα σχετικά με τις θέσεις των αντικειμένων, τότε και ο ίδιος ο χώρος θα πρέπει να υπακούει σε μια αρχή αβεβαιότητας. Με τον ίδιο τρόπο που τα σωματίδια της ύλης δεν παύουν να κινούνται, ακόμη κι όταν ψύχονται σε θερμοκρασία που τείνει στο απόλυτο μηδέν, ένας «ψηφιοποιημένος» χώρος θα δονείται εξαιτίας της αρχής της αβεβαιότητας, ακόμη και στην χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση. Στην ουσία το πείραμα εξερευνά τα όρια της ικανότητας του σύμπαντος να αποθηκεύει πληροφορίες.

The holometer as constructed at Fermilab includes two interferometers in evacuated 6-inch steel tubes about 40 meters long. Optical systems (not shown here) in each one “recycle” laser light to create a very steady, intense laser wave with about a kilowatt of laser power to maximize the precision of the measurement. The outputs of the two photodiodes are correlated to measure the holographic jitter of the spacetime the two machines share. The holometer will measure jitter as small as a few billionths of a billionth of a meter. Illustration: Fermilab.

Η πειραματική διάταξη που εξερευνά το «τρεμούλιασμα» του χώρου ονομάζεται Ολόμετρο ή Ολογραφικό Συμβολόμετρο. Το Ολόμετρο χρησιμοποιεί ένα ζεύγος συμβολομέτρων, τοποθετημένα πολύ κοντά το ένα στο άλλο.  Το καθένα εκτοξεύει δέσμη λέιζερ ενός κιλοβάτ (ισοδύναμη με 200000 στιλό λέιζερ), που διαχωρίζεται σε δυο διαδρομές μήκους 40 μέτρων. Στο τέλος της κάθε διαδρομής το φως ανακλάται και επιστρέφει στο σημείο διαχωρισμού, όπου και επανασυνδέεται δημιουργώντας διακυμάνσεις στη φωτεινότητα. Μέσα σ’ αυτές τις διακυμάνσεις ίσως να κρύβονται και οι δονήσεις του χώρου ή ο «ολογραφικός θόρυβος», όπως αποκαλείται.

Ο «ολογραφικός θόρυβος» αναμένεται σε όλο το εύρος των συχνοτήτων, αλλά οι πειραματιστές δεν πρέπει να παραπλανηθούν από άλλες πηγές δονήσεων. Έτσι, το Ολόμετρο πειραματίζεται σε μια πολύ υψηλή συχνότητα – εκατομμύρια κύκλους ανά δευτερόλεπτο – ώστε οι κινήσεις της κανονικής ύλης να μην μπορούν να δημιουργήσουν πρόβλημα. Αντίθετα, ο θόρυβος υποβάθρου συνήθως οφείλεται στα ραδιοκύματα που εκπέμπονται από κοντινές ηλεκτρονικές συσκευές. Το  Ολόμετρο σχεδιάστηκε έτσι ώστε να εντοπίζει και να εξαλείφει τους θορύβους από τέτοιες συμβατικές πηγές.

Top view of the Holometer as a Fermilab scientist works on the apparatus. The Holometer uses twin laser interferometers to look for "holographic noise" in space-time, and will test whether the universe is a 2-D hologram. Credit: Fermilab.

«Αν βρούμε έναν θόρυβο που δε μπορούμε να εξαφανίσουμε, αυτό θα σημαίνει ότι μάλλον ανακαλύψαμε κάτι θεμελιώδες για τη φύση – έναν θόρυβο που οφείλεται στον χωρόχρονο», λέει ο φυσικός του εργαστηρίου Fermilab, Aaron Chou. Και συνεχίζει: «Είναι μία πολύ συναρπαστική στιγμή για τη φυσική. Ένα θετικό αποτέλεσμα θα ανοίξει μία λεωφόρο ερωτημάτων σχετικά με το πως λειτουργεί ο χώρος».

Πηγή: www.fnal.gov