New Scientist -lehden mukaan saksalaisten tutkijoiden seitsemän vuoden ajan jatkunut tieteellinen kokeilu GEO600 gravitaatioaaltojen etsimiseksi on johtanut odottamattomiin tuloksiin.
Fyysikot aikoivat erityisen laitteen - interferometrin - avulla vahvistaa tieteellisesti yhden Einsteinin suhteellisuusteorian päätelmistä.
Tämän teorian mukaan Universumissa on ns. Gravitaatioaaltoja - gravitaatiokentän häiriöitä, avaruus-ajan kankaan “väreilyjä”.
Valon nopeudella etenevät gravitaatioaallot todennäköisesti aiheuttavat suurten tähtitieteellisten esineiden epätasaisia massaliikkeitä: mustien reikien muodostumista tai törmäyksiä, supernoovan räjähdyksiä jne.
Tiede selittää painovoima-aaltojen tarkkailemattomuuden sillä, että painovoimavaikutukset ovat heikompia kuin sähkömagneettiset. Tutkijat, jotka aloittivat kokeilunsa jo vuonna 2002, odottivat löytävänsä nämä painovoima-aallot, joista voisi myöhemmin tulla arvokkaan tiedon lähde ns. Pimeästä aineesta, joka pohjimmiltaan koostuu maailmankaikkeudesta.
Tähän asti GEO600 ei ole pystynyt havaitsemaan painovoima-aaltoja, mutta tietenkin tiedemiehet onnistuivat laitteen avulla tekemään suurimman löytön fysiikan alalta viimeisen puolen vuosisadan aikana.
Asiantuntijat eivät useiden kuukausien ajan pystyneet selittämään interferometrin toimintaa häiritsevien omituisten melujen luonnetta, ennen kuin yhtäkkiä Fermilabin tiedelaboratorion fyysikko tarjosi selityksen.
Craig Hoganin hypoteesin mukaan GEO600-laite törmäsi avaruus-avaruuden jatkuvuuden perusrajaan - kohtaan, jossa avaruus-aika lakkaa olemasta Einsteinin kuvaama jatkuva jatkumo, ja hajoaa "jyväksi", ikään kuin useita kertoja suurennettu valokuva muuttuisi erillisten pisteiden klusteriksi. …
Mainosvideo:
"Näyttää siltä, että GEO600 kompastui avaruuden ajan mikroskooppisiin kvanttivaihteluihin", Hogan ehdotti.
Jos nämä tiedot eivät näytä sinulle tarpeeksi sensaatiomaiselta, kuuntele tarkemmin: "Jos GEO600 kompastuu siihen, mitä oletan, se tarkoittaa, että elämme jättiläisessä avaruushologrammissa."
Itse ajatus siitä, että elämme hologrammissa, voi tuntua naurettavalta ja järjetömältä, mutta se on vain looginen jatko ymmärryksellemme mustien reikien luonteesta täysin todistettavan teoreettisen perustan perusteella.
Kummallista, mutta "hologrammin teoria" auttaisi fyysikoita lopulta selittämään, kuinka maailmankaikkeus toimii perustasolla.
Meille tutut hologrammit (kuten esimerkiksi luottokorteilla) levitetään kaksiulotteiseen pintaan, joka alkaa näyttää kolmiulotteiselta, kun valonsäde osuu siihen tietyssä kulmassa.
1990-luvulla fysiikan Nobel-palkinnon saajat Gerardt Huft Utrechtin yliopistosta (Alankomaat) ja Leonard Susskind Stanfordin yliopistosta (USA) ehdottivat, että samanlaista periaatetta voitaisiin soveltaa koko maailmankaikkeuteen. Itse päivittäinen olemassaolomme voi olla holografinen projekti fysikaalisista prosesseista, jotka tapahtuvat kaksiulotteisessa tilassa.
On erittäin vaikea uskoa maailmankaikkeuden rakenteen "holografiseen periaatteeseen": on vaikea kuvitella, että heräät, harjaat hampaitasi, luet sanomalehtiä tai katsot televisiota vain siksi, että useat jättiläiset avaruusobjektit törmäsivät toisiinsa jossain maailmankaikkeuden rajoilla.
Kukaan ei vielä tiedä, mitä "elämä hologrammissa" tarkoittaa meille, mutta teoreettisilla fyysikoilla on monia syitä uskoa, että tietyt universumin toiminnan holografisten periaatteiden näkökohdat ovat todellisuutta.
Tutkijoiden päätelmät perustuvat perustutkimukseen mustien reikien ominaisuuksista, jonka kuuluisa teoreettinen fyysikko Stephen Hawking suoritti yhdessä Roger Penrose: n kanssa.
1970-luvun puolivälissä tutkija tutki maailmankaikkeutta hallitsevia peruslakia ja osoitti, että Einsteinin suhteellisuusteoriasta seuraa tila-aikaa, joka alkaa Isosta räjähdyksestä ja päättyy mustiin reikiin.
Nämä tulokset osoittavat tarpeen yhdistää suhteellisuusteorian tutkimus kvantiteoriaan. Yksi tämän yhdistelmän seurauksista on väite, jonka mukaan mustat aukot eivät oikeastaan ole täysin "mustia": itse asiassa ne lähettävät säteilyä, mikä johtaa niiden asteittaiseen haihtumiseen ja täydelliseen häviämiseen.
Siten syntyy paradoksi, jota kutsutaan "mustien reikien tietoparadokseksi": muodostunut musta reikä menettää massansa ja säteilee energiaa. Kun musta reikä katoaa, kaikki sen absorboimat tiedot katoavat. Kvantfysiikan lakien mukaan tietoa ei kuitenkaan voida kadottaa kokonaan.
Hawkingin vastaväite: mustien reikien painovoimakenttien voimakkuus on käsittämätön toistaiseksi vastaa kvanttifysiikan lakeja. Hawkingin kollega, fyysikko Bekenstein, on esittänyt tärkeän hypoteesin, joka auttaa ratkaisemaan tämän paradoksin.
Hän hypoteesi, että mustalla aukolla on entropia verrannollinen sen ehdollisen säteen pinta-alaan. Tämä on eräänlainen teoreettinen alue, joka peittää mustan aukon ja merkitsee kohtaa, jolloin aine tai valo ei palaudu. Teoreettiset fyysikot ovat osoittaneet, että mustan aukon ehdollisen säteen mikroskooppiset kvantitatiiviset vaihtelut voivat koodata tietoa mustan aukon sisällä, joten mustassa aukossa olevaa tietoa ei menetetä sen haihtumis- ja katoamishetkellä.
Siksi voidaan olettaa, että alkuperäisen aineen kolmiulotteinen tieto voidaan koodata kokonaan sen kuoleman jälkeen muodostuneen mustan aukon kaksiulotteiseen säteeseen, suunnilleen kun kolmiulotteinen esinekoodaus koodataan käyttämällä kaksiulotteista hologrammaa.
Zuskind ja Huft menivät vielä pidemmälle soveltamalla tätä teoriaa maailmankaikkeuden rakenteeseen perustuen siihen, että avaruudessa on myös ehdollisuus säde - rajataso, jonka ulkopuolelle valo ei ole vielä onnistunut tunkeutumaan maailmankaikkeuden olemassaolosta 13,7 miljardissa vuodessa.
Lisäksi Princetonin yliopiston teoreettinen fyysikko Juan Maldacena pystyi todistamaan, että hypoteettisessa viiden ulottuvuuden universumissa toimivat samat fyysiset lait kuin nelinulotteisessa tilassa.
Hoganin teorian mukaan maailmankaikkeuden olemassaolon holografinen periaate muuttaa radikaalisti meidän tuttua kuvaa aika-ajasta. Teoreettiset fyysikot uskoivat pitkään, että kvanttiefektit saattavat aiheuttaa avaruusajan pulsaation kaoottisesti nyrkyllisessä mittakaavassa.
Tällä pulsaatiotasolla avaruus-ajan jatkuvuuden kudoksesta tulee "rakeista" ja ikään kuin se olisi tehty pienimmistä hiukkasista, samanlaisia kuin pikselit, vain satoja miljardeja kertoja pienempi kuin protoni. Tätä pituuden mittaa kutsutaan "Planckin pituudeksi" ja se edustaa lukua 10-35 m.
Tällä hetkellä fyysisiä peruslakeja on testattu empiirisesti 10-17: n etäisyyksiin asti, ja Planckin pituutta pidettiin saavuttamattomana, kunnes Hogan tajusi, että holografinen periaate muuttaa kaiken.
Jos avaruus-ajan jatkumona on rakeinen hologrammi, niin maailmankaikkeus voidaan esittää pallona, jonka ulkopinta on peitetty pienimmillä, 10–35 m pitkillä pinnoilla, joista kukin sisältää jonkin verran tietoa.
Holografinen periaate sanoo, että pallo-maailmankaikkeuden ulkopinnan peittävän informaatiomäärän on vastattava tilavuusuniversumin sisällä olevien informaatiobittien lukumäärää.
Koska pallomaisen maailmankaikkeuden tilavuus on paljon suurempi kuin sen koko ulkopinta, herää kysymys, kuinka on mahdollista noudattaa tätä periaatetta? Hogan ehdotti, että maailmankaikkeuden "sisätilan" muodostavien informaatiobittien tulisi olla suurempia kuin Planckin pituus. "Toisin sanoen holografinen maailmankaikkeus on kuin sumea kuva", Hogan sanoo.
Niille, jotka etsivät avaruus-ajan pienimpiä hiukkasia, tämä on hyvä uutinen. "Vastoin yleisiä odotuksia, mikroskooppinen kvanttirakenne on helposti saatavissa tutkittavaksi", Hogan sanoi.
Vaikka hiukkasia, joiden mitat ovat yhtä suuria kuin Planckin pituus, ei voida havaita, näiden "jyvien" holografinen projektio on noin 10-16 m. Kun tutkija teki kaikki nämä johtopäätökset, hän pohti, olisiko mahdollista määrittää kokeellisesti tämä holografinen tilan hämärtäminen. aika. Ja sitten GEO600 auttoi.
GEO600: n kaltaiset laitteet, jotka kykenevät havaitsemaan gravitaatioaallot, toimivat seuraavalla periaatteella: jos gravitaatioaalto kulkee sen läpi, se venyttää tilaa toiseen suuntaan ja puristaa sen toiseen.
Aallonmuodon mittaamiseksi tutkijat ohjaavat lasersäteen erityisen peilin, jota kutsutaan säteenjakajaksi, läpi. Se jakaa lasersäteen kahteen palkkiin, jotka kulkevat 600 metrin kohtisuoran sauvan läpi ja palautuvat takaisin.
Palaavat palkit yhdistyvät jälleen yhdeksi ja muodostavat häiriökuvion vaaleista ja pimeistä alueista, joissa valon aallot joko katoavat tai vahvistavat toisiaan. Kaikki näiden osien sijainnin muutokset osoittavat, että tankojen suhteellinen pituus on muuttunut. Protonin halkaisijaa pienemmät pituuden muutokset voidaan havaita kokeellisesti.
Jos GEO600 todella havaitsisi holografisen melun kvantitatiivisista avaruusajoista ajoissa, siitä tulisi tutkijoille kaksiteräinen miekka: toisaalta melu häiritsisi heidän yrityksiä "tarttua" painovoima-aaltoihin.
Toisaalta tämä voi tarkoittaa, että tutkijat pystyivät tekemään paljon perusteellisemman löytön kuin alun perin ajateltiin. On kuitenkin olemassa tietty kohtalon ironisuus: laite, joka on suunniteltu vangitsemaan aaltoja, jotka ovat seurausta suurimpien tähtitieteellisten esineiden vuorovaikutuksesta, löysi jotain mikroskooppista kuin avaruus-ajan "jyvät".
Mitä kauemmin tutkijat eivät voi purkaa holografisen melun mysteeriä, sitä akuutimmaksi tulee kysymys jatkotutkimuksen suorittamisesta tähän suuntaan. Yksi tutkimusmahdollisuuksista voi olla ns. Atomi-interferometrin suunnittelu, jonka toimintaperiaate on samanlainen kuin GEO600: n, mutta lasersäteen sijaan käytetään matalassa lämpötilassa toimivia atomijuomia.
Mitä holografisen melun löytö merkitsee ihmiskunnalle? Hogan on vakuuttunut siitä, että ihmiskunta on yhden askeleen päässä havaitsemasta määrällinen aika. "Tämä on pienin mahdollinen aikaväli: Planckin pituus jaettuna valon nopeudella", tutkija sanoo.
Suurin osa mahdollisista löytöistä auttaa tutkijoita, jotka yrittävät yhdistää kvanttimekaniikan ja Einsteinin painovoiman teorian. Tiedemaailman suosituin on jousiteoria, joka tutkijoiden mukaan auttaa kuvaamaan kaikkea mitä tapahtuu maailmankaikkeudessa perustasolla.
Hogan on samaa mieltä siitä, että jos holografiset periaatteet todistetaan, niin mitään lähestymistapaa kvanttigravitaation tutkimiseen ei jatkossa pidetä holografisten periaatteiden ulkopuolella. Päinvastoin, se on sysäys joustoteorian ja matriisiteorian todisteille.
"Ehkä meillä on ensimmäiset todisteet siitä, kuinka avaruus-aika seuraa kvantiteoriaamme käsissämme", tutkija huomautti.