Pamantul, o holograma uriasa?

Trecand in viteza prin sudul rural al Hanovrei, cu usurinta se poate rata locatia experimentului GEO600. Din afara, nimic impresionant: intr-un colt de ogor, un complex de cladiri cubice, din care ies, in unghi drept, doua santuri acoperite cu ondulin. Sub straturile metalice se afla insa un detector ce se intinde pe o distanta de 600 metri. In ultimii sapte ani, dispozitivul anglo-german s-a angajat in cautarea undelor gravitationale – pulsatii in continuumul spatiu-timp, declansate de obiecte astronomice super-dense, precum stelele neutronice si gaurile negre. GEO600 nu a detectat pana acum nicio astfel de unda gravitationala, dar s-ar putea sa fi realizat, in schimb, cea mai importanta descoperire din fizica a ultimei jumatati de secol.



Un zgomot ne zdruncina lumea

Pentru a masura fenomenul undelor gravitationale, echipa GEO600 declanseaza o singura raza laser printr-o oglinda pe jumatate argintata, denumita "distribuitor sau separator de raza". Aceasta portioneaza lumina in doua fascicole, care trec prin bratele perpendiculare, lungi de cate 600 metri, ale instrumentului si sunt reflectate inapoi. Razele luminii reflectate se recombina in separator si creeaza un tipar de interferenta a luminii, marcand regiunile intunecate in care undele luminoase fie s-au anulat fie s-au potentat reciproc. Orice schimbare de pozitie a acestor regiuni comunica o variatie a lungimii relative a traseelor, ceea ce poate coincide cu prezenta unei unde gravitationale.

Timp de mai multe luni de zile, echipa de cercetatori GEO600 s-a tot blocat incercand sa identifice o sursa pentru zgomotul inexplicabil care perturba detectorul. Ramasi fara piste, oamenii de stiinta au fost abordati, din senin, cu un raspuns. Acesta venea de la un alt cercetator, care chiar prezisese zgomotul inainte ca membrii GEO600 sa il fi detectat. Potrivit lui Craig Hogan, expert al laboratorului de fizica a particulelor Fermilab din Batavia, Illinois, germanii din Hanovra au dat peste o limita fundamentala a continuumului spatiu-timp - punctul in care spatiul si timpul inceteaza sa se mai comporte sub forma armonioasa descrisa de Einstein si incep sa se dizolve in "granule", tot asa cum fotografia dintr-un ziar se fragmenteaza in puncte atunci cand este marita.

"Se pare ca GEO600 este "inghiontit" de convulsii microscopice de cuantum spatio-temporal. Daca rezultatul celor de la GEO600 este ceea ce suspectez eu ca este, atunci traim cu totii intr-o uriasa holograma cosmica", sustine Hogan transant. Hologramele care se pot gasi pe cardurile de credit sau pe unele bancnote sunt aplicate bidimensional pe suprafete de plastic. Atunci cand lumina ricoseaza din ele, se creeaza aparenta unei imagini tridimensionale. In anii '90, fizicianul Leonard Susskind si castigatorul premiului Nobel Gerard 't Hooft sugerau ca acelasi principiu s-ar putea aplica Universului ca intreg. Experientele noastre cotidiene ar putea ele insele sa fie o proiectie holografica a proceselor fizice care au loc pe o suprafata bidimensionala, indepartata.



Principiul holografic si gaurile negre

Totusi, "principiul holografic" este de natura sa ne indigneze pana la celule, negandu-ne, la urma urmei, intr-o oarecare masura, existenta. Pare greu de crezut pentru oricine ca s-a trezit astazi, a ajuns la birou, iar acum citeste acest articol pentru ca un anumit fenomen care ne pune in valoare are loc undeva in Univers. Nimeni nu stie ce implicatii ar avea pentru noi sa traim, cu adevarat, intr-o holograma si, totusi, teoreticienii au motive intemeiate sa creada ca destule aspecte ale acestui principiu sunt adevarate. Ideea remarcabila a lui Susskind si 't Hooft are la baza studii revolutionare asupra gaurilor negre, testate de catre Jacob Bekenstein de la Universitatea Evreiasca din Israel si de Stephen Hawking de la Universitatea Cambridge. In anii' 70, Hawking a demonstrat ca gaurile negre nu sunt in totalitate negre si emit, cu lentoare, o radiatie ce provoaca evaporarea lor treptata si in cele din urma le stimuleaza disparitia.




Atunci cand o gaura neagra dispare, toata informatia despre steaua care a colapsat pentru a o forma dispare o data cu ea; ceea ce contrazice larg sustinutul principiu ca informatia nu poate fi distrusa. Este un concept cunoscut sub denumirea de "paradox al informatiei gaurii negre". Conform lui Bekenstein, continutul informational al unei gauri negre este proportional cu raza sa de actiune; aceasta reprezinta suprafata teoretica pe care o acopera o gaura neagra si marcheaza punctul din care nu mai exista intoarcere pentru materia sau lumina atrasa inspre nebuloasa.


Aceasta explicatie implica o profunda concluzie de natura fizica: informatia 3D a unei stele precursoare poate fi complet incifrata in orizontul 2D al gaurii negre ulterioare - diferit de imaginea tridimensionala a unui obiect incifrat intr-o holograma bidimensionala. Discutand pe teritoriul principiului holografic, materialul spatiu-timp devine granulat si plamadit din unitati minuscule asemanatoare pixelilor, dar de o suta de miliarde de miliarde de ori mai mici decat un proton. Acest raport este cunoscut ca scara Planck si se echivaleaza cu valoarea de 10-35 metri. Marimea Plank este dincolo de orice experiment imaginabil, asa incat nimeni nu a visat candva ca granulele din spatiu-timp ar putea fi vreodata percepute.



Universul ca o sfera si timpul-spatiul ca niste graunte

Aceasta pana cand Hogan a inteles ca principiul holografic este de natura sa schimbe totul. Daca continuumul spatiu-timp este o holograma granulata, atunci Universul poate fi imaginat ca o sfera a carei suprafata exterioara este realizata din parcele la dimensiunea marimii Plank, fiecare continand un bit de informatie. Principiul holografic sustine ca nivelul de informatie tapetat la exterior trebuie sa se potriveasca numarului de biti continuti de volumul Universului. De vreme ce volumul Universului sferic este mult mai mare decat suprafata sa exterioara, cum s-ar putea adeveri o asemenea afirmatie? Hogan a inteles ca pentru a avea acelasi numar de biti pe dinauntrul Universului ca si la suprafata, lumea din interior trebuie sa fie facuta din granule mai mari decat la scara Plank.

Ceea ce inseamna vesti bune pentru oricine incearca sa probeze cea mai mica unitate a continuumului spatiu-timp. Contrar tuturor asteptarilor, aduce structura cuantica microscopica la nivelul experimentelor fezabile. Altfel spus, in timp ce scara Plank este prea mica pentru a fi observata experimental, proiectia holografica a granulatiei din interiorul Universului ar putea fi mult, mult mai mare, ajungand in jurul a 10-16 metri. Atunci cand Hogan a inteles pentru prima oara aceste lucruri, s-a intrebat daca vreun experiment ar fi capabil sa detecteze plamada continuumului spatiu timp. Aici si atunci a intervenit GEO600. Din cele cinci detectoare de unde gravitationale aflate in toata lumea, Hogan si-a dat seama ca experimentul anglo-german GEO600 ar trebui sa fie cel mai sensibil la ceea ce are cercetatorul in minte.

El a prezis ca, daca separatorul de raza al experimentului este perturbat de convulsiile cuantice ale continuumului spatiu-timp, acest lucru se va reflecta in masuratori. In iunie 2009, omul de stiinta si-a trimis predictia echipei GEO600. "Incredibil, am aflat ulterior ca experimentul detecta zgomot neasteptat", adauga cercetatorul. Investigatorul GEO600, Karsten Danzmann de la Institutul de Fizica Gravitationala Max Planck din Potsdam, Germania si de asemenea de la Universitatea din Hanovra, admite ca zgomotul excesiv, cu frecvente intre 300 si 1500 hertzi, a sacait echipa multa vreme. El i-a raspuns lui Hogan, trimitandu-i o mostra de zgomot. "Arata exact ca predictia mea. Era ca si cum despartitorul de raza avea o modulatie laterala in plus", declara cu entuziasm specialistul.




Revolutionar sau minor

Cheia acestor experimente este ca sunt sensibile la schimbarile de lungime de unda mult mai mici decat diametrul unui proton. Asadar, sunt ele capabile sa detecteze proiectia holografica a continuumului spatiu-timp? Nimeni, inclusiv Hogan, nu pretinde pentru moment ca GEO600 a gasit dovada faptului ca traim intr-un univers holografic. Este mult prea devreme pentru a exprima cu certitudine asemenea lucruri. Hogan insusi crede ca sursa zgomotului ar putea fi, inca, una mundana.

Detectoarele de unde gravitationale sunt extrem de sensibile, asa incat cei care le opereaza trebuie sa ia in calcul o multitudine de aspecte pentru a fi siguri de rezultate si masuratori. Sunt considerate aici amanunte precum plafonul de nori, traficul aflat pe distanta mare, activitatile seismice si multe alte surse ce ar putea masca un semnal real. "Activitatile zilnice de imbunatatire a senzitivitatii acestor experimente declanseaza intotdeauna zgomote nedorite. Ne straduim sa identificam cauza unui zgomot, sa scapam de el si apoi trecem la identificarea urmatoarei surse de zgomot nedorit. In prezent, nu exista nicio canditata clara in randul surselor zgomotului experimentat de GEO600. Consider, de aceea, situatia neplacuta, dar nu neaparat ingrijoratoare", declara Danzmann.

Pentru un timp, echipa GEO600 a crezut ca zgomotul de care era interesat Hogan era cauzat de fluctuatiile de temperatura din separatorul de raze. Totusi, echipa a concluzionat ca aceasta s-ar putea face vinovata, cel mult, de o treime din zgomot. Danzmann sustine ca unele imbunatatiri planificate ar trebui sa sporeasca senzitivitatea lui GEO600 si sa elimine unele posibile surse de zgomot in exces ale experimentului. Daca GEO600 a descoperit, intr-adevar, zgomotul holografic provenit de la convulsiile cuantice ale continuumului spatiu-timp, atunci aceasta reprezinta o sabie cu doua taisuri pentru cercetatorii undelor gravitationale. Pe de o parte, zgomotul le va handicapa eforturile de detectare a undelor. Pe de cealalta, ar putea reprezenta o descoperire mult mai importanta.



Socoteala de acasa nu se potriveste cu cea din targ

O atare situatie nu ar fi fara precedent in fizica. Detectoarele gigante construite special pentru a cauta o forma ipotetica de radioactivitate in care protonii se descompun nu au gasit niciodata asa ceva. In schimb, au descoperit ca neutronii isi pot schimba forma; o informatie poate chiar mai esentiala, deoarece ne poate invata cum Universul a ajuns sa fie umplut cu materie si nu cu antimaterie. Ar fi ironic ca un instrument construit sa detecteze ceva atat de vast precum sursele astrofizice ale undelor gravitationale, sa identifice, neplanificat, granulele minuscule ale continuumului spatiu-timp. Cu cat misterul se adanceste mai mult, cu atat devine mai pregnanta motivatia construirii unui instrument dedicat pentru probarea zgomotului holografic. Un "accident fericit" a facut ca preditiile lui Hogan sa se coreleze cu experimentul GEO600, dar pare limpede, sunt de parere multi cercetatori, ca investigatii experimentale mult mai potrivite pot fi declansate spre a se concentra in mod special pe masurarea si caracterizarea zgomotului holografic si a fenomenelor derivate de aici.

O posibilitate, potrivit lui Hogan, ar fi intrebuintarea unui dispozitiv denumit interferometru atomic. Aceste dispozitive opereaza folosind acelasi principiu cu al detectoarelor pe baza de laser, dar folosesc raze de atomi ultraraciti in locul razelor laser. Deoarece atomii se pot comporta ca unde cu o lungime de unda mult mai mica decat lumina, interferometrele atomice sunt semnificativ mai mici si deci mai ieftin de construit decat detectoarele de unde gravitationale. Ce ar insemna detectarea in acea situatie a unui zgomot holografic? Unii coreleaza posibilitatea cu descoperirea neprevazuta a unui zgomot de antena Laboratoarelor Bell din New Jersey in 1964. Acel zgomot s-a dovedit a fi un fundal de microunde cosmice, stralucirea ulterioara a Big Bang-ului. Nu numai ca le-a adus cercetatorilor Arno Penzias si Robert Wilson un premiu Nobel, dar a confirmat si Big-Bang-ul si a deschis o cu totul noua ramura de studiu in cosmologie.

Mai important, confirmarea principiului holografic ar fi de mare ajutor pentru cercetatorii care incearca sa impace mecanica cuantica cu teoria gravitationala a lui Einstein. Astazi, cea mai populara abordare a gravitatii cuantice este teoria stringurilor, despre care cercetatorii spera ca va descrie fenomene din Univers la cel mai fundamental nivel. Hogan admite ca, daca principiul holografic va fi confirmat, el va elimina toate abordarile gravitatiei cuantice care nu incorporeaza acest principiu. In acelasi timp, va reprezenta o potentare pentru cele care il contin - intre care se numara ceva derivat din teoria stringurilor si ceva denumit "teoria matrix". In final, s-ar putea sa avem prima indicatie a modului in care continuumul spatiu-timp irumpe din teoria cuantica. Este greu de facut o descoperire mai rasunatoare si mai revolutionara de atat.