Et vitenskapelig eksperiment av tyske forskere kalt GEO600 for å søke etter gravitasjonsbølger, som har pågått i syv år, har ført til uventede resultater, ifølge tidsskriftet New Scientist.
Ved hjelp av et spesielt apparat - et interferometer - skulle fysikere vitenskapelig bekrefte en av konklusjonene fra Einsteins relativitetsteori.
I følge denne teorien er det såkalte gravitasjonsbølger i universet - forstyrrelser i gravitasjonsfeltet, "krusninger" av stoffets rom-tid.
Formering med lysets hastighet genererer antagelig gravitasjonsbølger ujevne massebevegelser av store astronomiske gjenstander: dannelse eller kollisjoner av sorte hull, supernovaeksplosjoner, etc.
Vitenskapen forklarer gravitasjonsbølgene som ikke er observerbar ved at gravitasjonseffektene er svakere enn de elektromagnetiske. Forskere, som startet sitt eksperiment tilbake i 2002, forventet å oppdage disse tyngdekraftsbølgene, som senere kan bli en kilde til verdifull informasjon om den såkalte mørke materien, som i utgangspunktet består av vårt univers.
Til nå har GEO600 ikke klart å oppdage gravitasjonsbølger, men tilsynelatende klarte forskere med hjelp av enheten å gjøre det største funnet i fysikkfeltet det siste halve århundre.
I mange måneder kunne ikke eksperter forklare naturen til de rare støyene som forstyrrer driften av interferometeret, før det plutselig ble gitt en forklaring av en fysiker fra Fermilabs vitenskapslaboratorium.
I følge Craig Hogans hypotese kolliderte GEO600-apparatet med den grunnleggende grensen for rom-tid kontinuum - punktet hvor rom-tid opphører å være et kontinuerlig kontinuum beskrevet av Einstein, og desintegrerer til "korn", som om et fotografi forstørret flere ganger blir til en klynge av separate punkter …
Salgsfremmende video:
"Det ser ut som GEO600 snublet over mikroskopiske kvantumsvingninger i romtid," foreslo Hogan.
Hvis denne informasjonen ikke virker oppsiktsvekkende nok for deg, kan du lytte videre: "Hvis GEO600 snubler over det jeg antar, betyr det at vi lever i et gigantisk romhologram."
Selve ideen om at vi lever i et hologram kan virke latterlig og absurd, men det er bare en logisk videreføring av vår forståelse av sorte hulls natur, basert på et fullstendig beviselig teoretisk grunnlag.
Merkelig nok ville "teorien om hologrammet" betydelig hjelpe fysikere til slutt å forklare hvordan universet fungerer på et grunnleggende nivå.
Hologrammer som er kjent for oss (som for eksempel på kredittkort) brukes på en todimensjonal overflate, som begynner å virke tredimensjonal når en lysstråle treffer den i en viss vinkel.
På 1990-tallet antydet nobelprisvinneren i fysikk Gerardt Huft ved University of Utrecht (Nederland) og Leonard Susskind fra Stanford University (USA) at et lignende prinsipp kunne brukes på universet som helhet. Selve vår daglige eksistens kan være en holografisk projeksjon av fysiske prosesser som oppstår i todimensjonalt rom.
Det er veldig vanskelig å tro på det "holografiske prinsippet" om strukturen til universet: det er vanskelig å forestille seg at du våkner, pusser tennene, leser aviser eller ser på TV bare fordi flere gigantiske romgjenstander kolliderte med hverandre et sted på universets grenser.
Ingen vet ennå hva "livet i et hologram" vil bety for oss, men teoretiske fysikere har mange grunner til å tro at visse aspekter ved de holografiske prinsippene for universets funksjon er virkelighet.
Konklusjonene fra forskere er basert på en grunnleggende studie av egenskapene til sorte hull, som ble utført av den berømte teoretiske fysikeren Stephen Hawking, sammen med Roger Penrose.
På midten av 1970-tallet studerte forskeren de grunnleggende lovene som styrer universet og viste at fra Einsteins relativitetsteori følger en romtid som begynner i Big Bang og ender i sorte hull.
Disse resultatene peker på behovet for å kombinere studiet av relativitetsteorien med kvante teori. En av konsekvensene av denne kombinasjonen er påstanden om at sorte hull faktisk ikke er helt "svarte": De avgir faktisk stråling som fører til gradvis fordampning og fullstendig forsvinning.
Dermed oppstår et paradoks, kalt "informasjonsparadokset med sorte hull": det dannede sorte hullet mister sin masse og utstråler energi. Når et svart hull forsvinner, går all informasjonen det absorberte tapt. I henhold til kvantefysikkens lover kan ikke informasjon gå tapt.
Hawkings motargument: intensiteten av svarte hulls gravitasjonsfelt er uforståelig så langt tilsvarer kvantefysikkens lover. Hawkings kollega, fysikeren Bekenstein, har fremmet en viktig hypotese som er med på å løse dette paradokset.
Han antok at et svart hull har entropi proporsjonalt med overflatearealet til dens betingede radius. Dette er et slags teoretisk område som maskerer det sorte hullet og markerer poenget med ingen tilbakeføring av materie eller lys. Teoretiske fysikere har bevist at mikroskopiske kvantumsvingninger i den betingede radien til et svart hull kan kode informasjon i et svart hull, så det er ikke noe tap av informasjon som er i et svart hull på tidspunktet for fordamping og forsvinning.
Dermed kan det antas at den tredimensjonale informasjonen om det opprinnelige stoffet kan kodes fullstendig i den todimensjonale radius av det sorte hullet som ble dannet etter dets død, omtrent som et tredimensjonalt bilde av et objekt kodes ved hjelp av et todimensjonalt hologram.
Zuskind og Huft gikk enda lenger, og anvendte denne teorien på universets struktur, basert på det faktum at rommet også har en betinget radius - et grenseplan, utover som lys ennå ikke har klart å trenge gjennom i 13,7 milliarder år av universets eksistens.
Juan Maldacena, en teoretisk fysiker ved Princeton University, var dessuten i stand til å bevise at de samme fysiske lovene vil fungere i et hypotetisk femdimensjonalt univers som i et firedimensjonalt rom.
I følge Hogans teori endrer det holografiske prinsippet om universets eksistens radikalt vårt kjente bilde av rom-tid. I lang tid trodde teoretiske fysikere at kvanteeffekter kan føre til at romtiden pulserer kaotisk i en svær skala.
På dette pulsasjonsnivået blir vevet i romtidskontinuumet "kornete", og som om det er laget av de minste partiklene, som ligner på piksler, er det bare hundrevis av milliarder av milliarder ganger mindre enn en proton. Dette lengdemålet er kjent som "Planck-lengden" og representerer tallet 10-35 m.
For tiden er grunnleggende fysiske lover testet empirisk opp til avstander fra 10-17, og Planck-lengden ble ansett som uoppnåelig, inntil Hogan innså at det holografiske prinsippet forandrer alt.
Hvis romtidskontinuumet er et kornformet hologram, kan universet representeres som en sfære, hvis ytre overflate er dekket med de minste flatene 10-35 m lange, som hver inneholder en informasjonsdel.
Det holografiske prinsippet sier at mengden informasjon som dekker den ytre delen av sfæren-universet, må samsvare med antall informasjonsbiter som finnes inne i det volumetriske universet.
Siden volumet av det sfæriske universet er mye større enn hele ytre overflate, oppstår spørsmålet, hvordan er det mulig å overholde dette prinsippet? Hogan antydet at informasjonsbitene som utgjør universets "indre" skulle være større enn Planck-lengden. "Med andre ord er det holografiske universet som et uklar bilde," sier Hogan.
For de som leter etter de minste partiklene i romtid, er dette gode nyheter. "I motsetning til populære forventninger, er mikroskopisk kvantestruktur lett tilgjengelig for studier," sa Hogan.
Mens partikler med dimensjoner lik Planck-lengden ikke kan oppdages, er den holografiske projeksjonen av disse "kornene" omtrent 10-16 m. Da forskeren kom med alle disse konklusjonene, lurte han på om det var mulig å eksperimentelt bestemme denne holografiske uskarpheten i rommet tid. Og da kom GEO600 til unnsetning.
Enheter som GEO600, som er i stand til å oppdage gravitasjonsbølger, fungerer etter følgende prinsipp: hvis en gravitasjonsbølge passerer gjennom den, vil den strekke rommet i den ene retningen og komprimere den i den andre.
For å måle bølgeformen, dirigerer forskere en laserstråle gjennom et spesielt speil kalt en strålesplitter. Den deler laserstrålen i to bjelker, som går gjennom 600 meter vinkelrett stenger og returnerer tilbake.
Strålene som vender tilbake blir kombinert i en igjen og skaper et interferensmønster av lyse og mørke områder, der lysbølger enten forsvinner eller forsterker hverandre. Enhver endring i plasseringen av disse seksjonene indikerer at den relative lengden på stengene har endret seg. Endringer i lengde mindre enn diameteren til et proton kan oppdages eksperimentelt.
Hvis GEO600 virkelig oppdaget holografisk støy fra kvantevibrasjoner i romtid, ville det være et dobbeltkantet sverd for forskere: På den ene siden ville støyen forstyrre deres forsøk på å "fange" gravitasjonsbølger.
På den annen side kan dette bety at forskerne klarte å gjøre et mye mer grunnleggende funn enn opprinnelig trodd. Imidlertid er det en viss skjebne ironi: enheten, designet for å fange bølgene som er en konsekvens av samspillet mellom de største astronomiske objektene, fant noe så mikroskopisk som "kornene" i romtid.
Jo lengre forskere ikke kan avdekke mysteriet med holografisk støy, jo mer akutt blir spørsmålet om å forske videre i denne retningen. En av mulighetene for forskning kan være utformingen av det såkalte atominterferometeret, hvis driftsprinsipp er likt det for GEO600, men i stedet for en laserstråle vil en lavtemperaturstrøm av atomer bli brukt.
Hva vil oppdagelsen av holografisk støy bety for menneskeheten? Hogan er trygg på at menneskeheten er et skritt unna å oppdage et tidsrom. "Dette er det minste mulige tidsintervallet: Planck-lengden delt på lysets hastighet," sier forskeren.
Imidlertid vil mest av all mulig oppdagelse hjelpe forskere som prøver å kombinere kvantemekanikk og Einsteins teori om tyngdekraft. Den mest populære i den vitenskapelige verdenen er strengteori, som, ifølge forskere, vil bidra til å beskrive alt som skjer i universet på et grunnleggende nivå.
Hogan er enig i at hvis holografiske prinsipper er bevist, så vil ingen tilnærming til studiet av kvantetyngdekraft fremover bli vurdert utenfor konteksten av holografiske prinsipper. Tvert imot, det vil være drivkraften for bevis på strengteori og matrise-teori.
"Kanskje har vi det første beviset på hvordan romtid følger av kvanteteorien i våre hender," bemerket forskeren.
