Universul ca o hologramă
Articole similare
Fizica modernă ajunge adesea la concluzii stranii,
care, de foarte multe ori, sfidează sănătosul nostru bun-simţ. Tocmai în
aceasta stă frumuseţea ei. Fizica modernă ne obligă tot timpul să ne
revizuim modul în care privim lumea. În continuare, ne vom pune o
întrebare care vrea să vă provoace să citiţi cu atenţie textul ce
urmează. Universul nostru ar putea fi, de fapt, proiecţia unei imense
holograme?
O întâlnire între fizicieni
Ideea a ceea ce acum poartă numele de principiu holografic a apărut în 1983. În acel an, un miliardar de bine, Werner Erhard, a organizat la San Francisco o întâlnire între cei mai mari fizicieni de pe planetă. Printre participanţi se afla şi Stephen Hawking. La vremea respectivă, deşi atins de boala Charcot, care îl imobilizase în scaunul său cu rotile, încă mai putea să îşi folosească vocea pentru a comunica cu cei din jur, fără a se folosi de un sintetizator vocal. În cadrul întâlnirii despre care vă vorbesc, Hawking le-a prezentat celor prezenţi o concluzie importantă privind găurile negre, la care ajunsese încă din 1976.
Pentru a vedea despre ce e vorba, fără a încerca să intrăm în detalii, este nevoie să lămurim nişte noţiuni. O gaură neagră este un obiect ceresc cu o forţă de gravitaţie atât de mare încât, pentru a evada de acolo, ai avea nevoie de o viteză mai mare decât viteza luminii. Nici măcar lumina nu poate scăpa dintr-o gaură neagră. Pe de altă parte, putem defini un aşa-numit „orizont al evenimentelor” ca fiind locul geometric al distanţelor faţă de centrul găurii negre de la care nu mai există cale de întoarcere, nici măcar pentru lumină. Altfel spus, atunci când ne apropiem de o gaură neagră, avem totuşi posibilitatea de a scăpa de sub infernala ei atracţie gravitaţională, dar există un punct în apropierea ei pe care, dacă îl depăşim, evadarea nu mai este posibilă. E punctul dincolo de care vom fi absorbiţi de către gaura neagră.
Hawking expunea la acea întâlnire fenomenele care se întâmplă în
vecinătatea unei găuri negre. El povestea cum aceste găuri negre înghit
totul. Orice obiect care străbate orizontul evenimentelor dispare pentru
Universul nostru şi, odată cu el, dispare şi informaţia pe care o conţine. Dacă ar fi să ne imaginăm un experiment mintal (Gedankenexperiment, cum ar fi spus Einstein),
lucrurile ar sta cam aşa. (Voi simplifica un pic povestea, pentru a nu o
lungi prea mult.) Imaginaţi-vă că îmi doresc să îmi satisfac
curiozitatea şi, în acelaşi timp, să mă sacrific pentru ştiinţă. Mă voi
lansa înspre o gaură neagră. Dumneavoastră veţi fi martorii, din
exterior, ai aventurii mele. Veţi putea vedea cum, pe măsură ce mă
apropii de orizontul evenimentelor, mă rup în mii de bucăţi sub acţiunea
imensei forţe gravitaţionale a găurii negre. Veţi vedea cum aceste
bucăţi se rup la rândul lor în unele şi mai mici – iar procesul de
măcinare a corpului meu va continua până când, în apropierea orizontului
evenimentelor, voi fi descompus în cele mai mici particule cu putinţă.
Ele vor trece dincolo de această suprafaţă imaginară şi în urma mea va
rămâne numai ceea ce se numeşte radiaţie Hawking. Iar această radiaţie
Hawking nu mai conţine nici o informaţie despre mine. Am fost şters din acest Univers!Despre asta le vorbea Hawking fizicienilor prezenţi la întâlnirea din 1983. Toată lumea asculta cu încântare prezentarea făcută de marele fizician britanic. Numai că în sală se aflau doi oameni care nu înţelegeau nimic. Aveau certitudinea că Hawking greşeşte fundamental, dar nu puteau arăta cu degetul vreun cusur în argumentele teoretice expuse.
Cei doi erau Leonard Susskind (unul dintre fondatorii teoriei stringurilor) şi Gerard ‘t Hooft (laureat Nobel în 1999). Într-un interviu pentru publicaţia franceză La Recherche, Susskind a povestit ce s-a întâmplat în acea seară. „Gerard ‘t Hooft şi cu mine eram singurii care am rămas perplecşi, ceea ce dovedeşte cât de convingătoare a fost expunerea lui Hawking. Noi nu eram specialişti în teoria relativităţii, ci în fizica particulelor. În acea vreme eram interesat de fundamentele mecanicii cuantice şi începusem să lucrez la teoria stringurilor, conform căreia particulele elementare ar fi alcătuite din filamente infinitezimale care vibrează. De fapt, noi nu ştiam nimic despre teoria găurilor negre! Deşi nu găseam nici o fisură în argumentaţia lui Hawking, aveam convingerea că pe undeva există o greşeală, altfel principiile fundamentale ale fizicii ar fi complet răsturnate.”
O încălcare de principiu
În ce consta această răsturnare sau, mai bine zis, violare a principiilor fundamentale ale fizicii? Nu vreau să încerc acum să vă dau propria mea explicaţie, pentru că mă tem că ar deveni prea stufoasă. Aşa că voi prefera să îl citez din nou pe Susskind, care a reuşit, în interviul de care aminteam mai devreme, să ne dea o foarte bună şi simplă expunere a problemei legate de teoria lui Hawking. „Două mari teorii, fiecare în parte confirmată experimental într-o manieră foarte precisă, par să se contrazică atunci când descriu informaţia conţinută într-o gaură neagră: pe de o parte, avem relativitatea generală, ale cărei ecuaţii descriu existenţa şi proprietăţile găurilor negre, iar, pe de altă parte, mecanica cuantică, [disciplină care], prin principiul reversibilităţii, descrie comportamentul particulelor subatomice. […] [Pentru a înţelege acest principiu al reversibilităţii, voi da un exemplu.] Atunci când o particulă interacţionează cu o alta, ea poate fi absorbită, reflectată sau poate să se dezintegreze în mai multe particule. Dar totdeauna vom putea să reconstituim starea sa iniţială (sarcină electrică, viteză etc.) plecând de la produsele rezultate în urma interacţiunii. Informaţia purtată de particulă este conservată totdeauna. Aceasta este o lege fundamentală a mecanicii cuantice, poate cel mai important principiu al întregii fizici, fie ea cuantică sau «clasică». Să luăm exemplul unui calculator. Informaţiile conţinute pe hard disk pot fi «şterse». Dar, în realitate, ele nu sunt decât aruncate în atmosferă, sub forma unei cantităţi de energie absorbite de moleculele din mediu. Informaţiile iniţiale sunt total distruse şi nu sunt recuperabile prin tehnologiile actuale. Dar, de fapt, ele se păstrează!”
Mai pe scurt, putem spune aşa: dacă legile fundamentale ale fizicii sunt corecte, o gaură neagră nu are cum să „şteargă” nici măcar o mică parte din informaţia existentă în Univers.
O altă perspectivă a experimentului mintalAu urmat apoi ani de căutări pentru Susskind şi ‘t Hooft. Trebuia găsită o cale de salvare a principiilor fundamentale ale mecanicii cuantice. Aşa cum mărturisea Susskind în cartea sa „The Cosmic Landscape”, soluţia a venit tot de la Hawking. În teoria lui privitoare la găurile negre, acesta arătase că respectivele găuri posedă energie termică. Ele nu se află la temperatura zero absolut. Dar orice corp care înregistrează o temperatură mai mare decât zero absolut emite radiaţii, care, în cazul găurilor, negre poartă numele de radiaţii Hawking.
O clipă… am anticipat un pic. Trebuie să ne întoarcem la experimentul mintal pe care vi l-am propus mai devreme. De această dată vă voi dezvălui cum voi vedea eu lucrurile atunci când voi cădea în gaura neagră. Dacă dvs., observatorul extern, îmi veţi plânge soarta atunci când veţi vedea cum mă fărâm în particule elementare şi cum dispar din acest Univers, eu voi percepe întâmplările cu totul altfel. Din punctul meu de vedere, călătoria către orizontul evenimentelor nu implică nici o dramă. Pot chiar continua să scriu la articolul pentru ST, deşi am trecut de el. Dacă am avut înţelepciunea să îmi aleg o gaură neagră suficient de mare – să zicem, cu o rază a orizontului evenimentelor de câteva milioane de ani-lumină (nu ştiu să existe aşa ceva, dar este vorba despre un experiment mintal, aşa ca îmi pot permite să forţez lucrurile, de dragul poveştii) –, atunci voi putea călători aproape un milion de ani fără vreo problemă. Problemele vor apărea abia când voi ajunge la miezul găurii negre, moment în care forţele gravitaţionale mă vor descompune şi din punctul meu de vedere. Desigur, nu am să vă pot comunica nimic din ceea ce voi face, pentru că voi fi trecut dincolo de punctul fără întoarcere. (Acest exemplu l-am adaptat după cel oferit în cartea de care aminteam mai devreme: „Cosmic Landscape” a lui Susskind.)
Cele prezentate mai sus contrazic în modul cel mai evident bunul
nostru simţ. Nu pot exista două asemenea realităţi simultan. Nu pot
exista distrugere şi nondistrugere în acelaşi timp. Şi totuşi, prin ceea
ce v-am povestit, am schiţat un principiu important: cel al
complementarităţii găurilor negre. Cu un principiu asemănător probabil
că sunteţi obişnuiţi atunci când vine vorba despre fotoni. Ei pot fi sau
undă, sau corpuscul, depinde doar de felul în care faci măsurătoarea.
La fel se întâmplă şi în cazul găurilor negre. Este valabilă sau una,
sau alta dintre realităţi, totul depinde de punctul de observare.
Plecând de la această constatare stranie, putem încerca să vorbim despre
principiul holografic.Principiul holografic
Susskind recunoaşte că nu ştie cine a avut primul ideea principiului holografic. Aceeaşi idee le-a venit, aproape simultan, şi lui, şi lui ‘t Hoft. Din nou voi evita să intru în detalii. Nu este aici locul unei lecţii de fizică. Mă voi folosi doar de analogia utilizată de Susskind în cartea despre care pomeneam anterior.
Atunci când facem o fotografie, obţinem o imagine bidimensională. Din această imagine, evident, lipseşte o dimensiune spaţială şi numai faptul că suntem obişnuiţi să reconstruim mental dimensiunea-lipsă ne ajută să putem reconstitui perspectiva. Să nu credeţi că asta este o treabă de la sine înţeleasă. Este suficient să priviţi în istoria picturii şi o să constataţi că abia foarte târziu, pe la începutul Renaşterii, a putut fi introdusă perspectiva în pictură. Acum să luăm o fotografie, să o încărcăm în calculator şi apoi să o afişăm pe ecranul unui monitor. Să ne imaginăm că acest ecran are 1.000 x 1.000 de pixeli. În acest fel, imaginea devine suma unor informaţii digitale, referitoare la culoare şi intensitate, stocate în fiecare dintre pixelii ecranului. În cazul ecranului nostru, avem nevoie de un milion de pixeli. Acum, să facem un pas mai departe. Vrem să obţinem o imagine tridimensională, care să conţină toată informaţia dintr-un volum dat. În acest caz, unitatea de informaţie va fi conţinută în „voxeli” (aşa îi numeşte Susskind). Pentru a obţine aceeaşi rezoluţie a imaginii, vom avea nevoie de 1.000 x 1.000 x 1.000 de voxeli, adică de un miliard de voxeli. Puteţi vedea că pentru a obţine o imagine tridimensională se cere o cantitate mult mai mare de informaţie. În cazul imaginii bidimensionale, informaţia este proporţională cu suprafaţa, iar în cazul imaginii tridimensionale, e proporţională cu volumul. Vă rog să reţineţi această idee, este una foarte importantă
Acum să mergem mai departe. Avem la dispoziţie tehnologia prin care putem stoca o imagine tridimensională pe o suprafaţă bidimensională. O ştiţi şi dumneavoastră, este vorba despre holografie. Folosind o instalaţie nu foarte complicată, cu ajutorul unei plăci fotografice şi al unor fascicule laser, putem înregistra o imagine tridimensională pe un suport bidimensional. Nu ştiu dacă aţi văzut vreodată cum arată o asemenea hologramă. Dacă vă veţi uita cu ochiul liber la ea, nu veţi putea recunoaşte nimic. Veţi identifica nişte figuri de interferenţă, care nu au nici un sens. Şi totuşi, acolo, pe placa fotografică, se află stocată imaginea în trei dimensiuni. Pentru a reconstitui volumul fotografiat, aveţi nevoie de un algoritm de descifrare. Este vorba despre un formalism matematic extrem de complicat, dar nu vă temeţi. Avem o soluţie extrem de simplă. Tot mecanismul de decodificare, adică de reconstituire a volumului iniţial, poate fi realizat prin iluminarea hologramei cu ajutorul unui fascicul laser. Dar va trebui să plătiţi un preţ. Pentru un volum cubic cu latura de 1.000 de pixeli, veţi avea nevoie de 1.000 x 1.000 x 1.000, adică de un miliard de pixeli stocaţi pe placa fotografică. Vă rog să remarcaţi că, în cazul acestei holograme, cantitatea de informaţie necesară este proporţională cu volumul şi că informaţia aflată pe placa fotografică trebuie mai întâi decodificată pentru a putea fi înţeleasă.
Ce se întâmplă atunci când vorbim despre principiul holografic? De aici încolo, lucrurile tind să iasă din sfera sănătosului nostru bun-simţ. În
acest caz, numărul de pixeli necesari pentru a stoca o imagine
tridimensională este proporţional cu suprafaţa, nu cu volumul. Ca să vă
faceţi o idee, ar trebui să vă imaginaţi că sunteţi într-o cameră. Tot
ceea ce se întâmplă în ea, toate obiectele care se află acolo pot fi
descrise ca o informaţie stocată pe suprafaţa pereţilor. Nu veţi avea
nevoie de un miliard de pixeli, ca în cazul unei holograme clasice, ci
de numai un milion…Ce are de-a face asta cu găurile negre? Înconjuraţi, imaginar, desigur, această gaură neagră cu o sferă de mari dimensiuni. Tot ceea ce se întâmplă în interiorul sferei, gaura neagră care atrage inexorabil materia, eu care cad şi trec dincolo de orizontul evenimentelor, orice eveniment din interiorul acestei sfere nu este altceva decât o proiecţie a informaţiei stocate pe suprafaţa sferei imaginare!
Vorbeam mai devreme de principiul complementarităţii găurilor negre, adică despre faptul că, în funcţie de punctul de observare, avem de-a face cu două realităţi. Se regăseşte asta în principiul holografic? Răspunsul scurt este simplu: desigur! În cazul hologramei obişnuite, avem nevoie de un algoritm prin care să reconstituim informaţia stocată în ea (aşa cum spuneam, în loc să facem calcule, putem folosi un fascicul laser). În cazul principiului holografic, informaţia stocată pe sfera imaginară care conţine gaura neagră poate fi decodificată în două feluri. Există două reconstrucţii ale aceleiaşi holograme, adică două realităţi complementare! Într-una dintre aceste reconstrucţii vedem cum cel ce cade înspre o gaură neagră este distrus pe măsură ce se apropie de orizontul evenimentelor, iar în cea de-a doua reconstrucţie, cu un alt algoritm, am vedea totul aşa cum îl vede cel ce se prăbuşeşte în gaura neagră, adică o călătorie lipsită de dramatism.
Această constatare este una fascinantă. Este fascinantă pentru că poate fi extinsă la scara întregului Univers! Se poate defini şi în cazul Universului nostru un „orizont al evenimentelor”, aflat la vreo 42 de miliarde de ani-lumină de noi. Acolo s-ar afla „ecranul” pe care „rulează” filmul 3D ale cărui personaje suntem noi. Fizicianul Craig Hogan, de la FermiLab, explica pentru revista New Scientist: „A exista într-un Univers [holografic] este ca şi cum ai exista într-un film 3D. La scară mare, [Universul] ne apare ca fiind neted şi tridimensional, dar, dacă te apropii de ecran, vei descoperi că [spaţiu-timpul] este plan şi pixelat.”
Dovezi?
Trăim într-un uriaş film 3D care se desfăşoară pe ecranul de la marginile Universului?
Greu de spus. Deocamdată avem o ipoteză, bine susţinută teoretic, dar
este vorba doar de o ipoteză. Susskind şi-a publicat concluziile în 1995
în lucrarea „The World as a Hologram”
(„Lumea ca o hologramă”). La început, ele au fost privite cu multă
neîncredere. Apoi au început să apară din ce în ce mai multe lucrări
ştiinţifice în care ipoteza unui univers holografic era luată în serios.
Mai mult decât atât, este posibil (subliniez prin repetare: este posibil)
să avem deja unele dovezi referitoare la această hologramă. Aşa cum
spunea Hogan, dacă ne-am apropia de ecran, am putea descoperi că
spaţiu-timpul este pixelat. În Germania este amplasat detectorul de unde
gravitaţionale GEO600.
Aşa cum v-aţi dat seama, scopul acestui detector este acela de a
detecta oscilaţiile spaţiu-timpului provocate de undele gravitaţionale.
Măsurătoarea trebuie să fie extrem de precisă, deoarece amplitudinea
acestor unde gravitaţionale, anticipate de teoria relativităţii, este
mai mică decât dimensiunea unui atom de hidrogen. La GEO600 nu s-au
identificat, deocamdată, semnalele vreunei unde gravitaţionale. În
schimb s-a putut măsura un zgomot de fond neaşteptat, care nu ar fi
trebuit să existe. Hogan presupune că acest zgomot are caracteristici
care l-ar face un mesager al „pixelilor” spaţiu-timpului. Nu toată lumea
este de acord că zgomotul de fond ar putea reprezenta dovada unui
univers holografic. Mai există şi alte căi de verificare a „pixelizării”
spaţiu-timpului. Fotonii gamma, care sunt emişi în timpul aşa-numitelor
izbucniri gamma, ar trebui să capete o polarizare preferenţială, dacă
structura spaţiu-timpului ar fi una pixelată. (Gamma Ray Burst – GRB
este un fenomen ieşit din comun prin care, pentru perioade relativ
scurte de timp, ne sosesc de la mare distanţă fluxuri foarte intense de
radiaţii gamma.) Dar măsurătorile efectuate de satelitul Integral al ESA
au arătat că nu există vreo polarizare preferenţială a acestor fotoni,
deci spaţiu-timpul este „neted” la scara cuantică a lumii.Lucrurile nu se opresc aici. Hogan tocmai construieşte la FermiLab un nou echipament, pe care l-a numit holometru, după numele unui dispozitiv din Evul Mediu cu care se măsurau „cerurile şi Pământul”. Acest instrument, speră cercetătorul american, ar putea aduce dovada că trăim într-un Univers holografic, că suntem o proiecţie a unei lumi bidimensionale.
În loc de concluzie
Da, mai avem de aşteptat până când vom găsi dovezile care să transforme ipoteza în teorie confirmată. Dar vă rog frumos să o acceptaţi, măcar o vreme. Gândiţi-vă apoi, o clipă, la noi, oamenii, ca la nişte actori. Cei mai importanţi actori dintr-un Univers care aşteaptă să-i fie dezvăluite ciudăţeniile unui spectacol magnific. Este frumos atunci când ştiinţa ne răstoarnă prejudecăţile, este extraordinar atunci când aflăm că ar fi posibil ca realitatea tridimensională pe care o percepem să reprezinte de fapt proiecţia unui spectacol ce se desfăşoară pe o scenă aflată la marginea Universului…
http://stiintasitehnica.com/
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu