Universul ca o holograma

Adauga la playlist

Adaugat de Cozana

20.10.2021

Adauga la favorite

201 vizualizari

Nota film: 0 / 5 (0 voturi )

Trebuie sa fii autentificat
pentru a salva filmele favorite

Fizica moderna ajunge adesea la concluzii stranii, care, de foarte multe ori, sfideaza sanatosul nostru bun-simt. Tocmai in aceasta sta frumusetea ei. Fizica moderna ne obliga tot timpul sa ne revizuim modul in care privim lumea. In continuare, ne vom pune o intrebare care vrea sa va provoace sa cititi cu atentie textul ce urmeaza. Universul nostru ar putea fi, de fapt, proiectia unei imense holograme?

O intalnire intre fizicieni
Ideea a ceea ce acum poarta numele de principiu holografic a aparut in 1983. In acel an, un miliardar de bine, Werner Erhard, a organizat la San Francisco o intalnire intre cei mai mari fizicieni de pe planeta. Printre participanti se afla si Stephen Hawking. La vremea respectiva, desi atins de boala Charcot, care il imobilizase in scaunul sau cu rotile, inca mai putea sa isi foloseasca vocea pentru a comunica cu cei din jur, fara a se folosi de un sintetizator vocal. In cadrul intalnirii despre care va vorbesc, Hawking le-a prezentat celor prezenti o concluzie importanta privind gaurile negre, la care ajunsese inca din 1976.

Pentru a vedea despre ce e vorba, fara a incerca sa intram in detalii, este nevoie sa lamurim niste notiuni. O gaura neagra este un obiect ceresc cu o forta de gravitatie atat de mare incat, pentru a evada de acolo, ai avea nevoie de o viteza mai mare decat viteza luminii. Nici macar lumina nu poate scapa dintr-o gaura neagra. Pe de alta parte, putem defini un asa-numit „orizont al evenimentelor" ca fiind locul geometric al distantelor fata de centrul gaurii negre de la care nu mai exista cale de intoarcere, nici macar pentru lumina. Altfel spus, atunci cand ne apropiem de o gaura neagra, avem totusi posibilitatea de a scapa de sub infernala ei atractie gravitationala, dar exista un punct in apropierea ei pe care, daca il depasim, evadarea nu mai este posibila. E punctul dincolo de care vom fi absorbiti de catre gaura neagra.
Hawking expunea la acea intalnire fenomenele care se intampla in vecinatatea unei gauri negre. El povestea cum aceste gauri negre inghit totul. Orice obiect care strabate orizontul evenimentelor dispare pentru Universul nostru si, odata cu el, dispare si informatia pe care o contine. Daca ar fi sa ne imaginam un experiment mintal (Gedankenexperiment, cum ar fi spus Einstein), lucrurile ar sta cam asa. (Voi simplifica un pic povestea, pentru a nu o lungi prea mult.) Imaginati-va ca imi doresc sa imi satisfac curiozitatea si, in acelasi timp, sa ma sacrific pentru stiinta. Ma voi lansa inspre o gaura neagra. Dumneavoastra veti fi martorii, din exterior, ai aventurii mele. Veti putea vedea cum, pe masura ce ma apropii de orizontul evenimentelor, ma rup in mii de bucati sub actiunea imensei forte gravitationale a gaurii negre. Veti vedea cum aceste bucati se rup la randul lor in unele si mai mici – iar procesul de macinare a corpului meu va continua pana cand, in apropierea orizontului evenimentelor, voi fi descompus in cele mai mici particule cu putinta. Ele vor trece dincolo de aceasta suprafata imaginara si in urma mea va ramane numai ceea ce se numeste radiatie Hawking. Iar aceasta radiatie Hawking nu mai contine nici o informatie despre mine. Am fost sters din acest Univers!

Despre asta le vorbea Hawking fizicienilor prezenti la intalnirea din 1983. Toata lumea asculta cu incantare prezentarea facuta de marele fizician britanic. Numai ca in sala se aflau doi oameni care nu intelegeau nimic. Aveau certitudinea ca Hawking greseste fundamental, dar nu puteau arata cu degetul vreun cusur in argumentele teoretice expuse.

Cei doi erau Leonard Susskind (unul dintre fondatorii teoriei stringurilor) si Gerard ‘t Hooft (laureat Nobel in 1999). Intr-un interviu pentru publicatia franceza La Recherche, Susskind a povestit ce s-a intamplat in acea seara. „Gerard ‘t Hooft si cu mine eram singurii care am ramas perplecsi, ceea ce dovedeste cat de convingatoare a fost expunerea lui Hawking. Noi nu eram specialisti in teoria relativitatii, ci in fizica particulelor. In acea vreme eram interesat de fundamentele mecanicii cuantice si incepusem sa lucrez la teoria stringurilor, conform careia particulele elementare ar fi alcatuite din filamente infinitezimale care vibreaza. De fapt, noi nu stiam nimic despre teoria gaurilor negre! Desi nu gaseam nici o fisura in argumentatia lui Hawking, aveam convingerea ca pe undeva exista o greseala, altfel principiile fundamentale ale fizicii ar fi complet rasturnate."

O incalcare de principiu
In ce consta aceasta rasturnare sau, mai bine zis, violare a principiilor fundamentale ale fizicii? Nu vreau sa incerc acum sa va dau propria mea explicatie, pentru ca ma tem ca ar deveni prea stufoasa. Asa ca voi prefera sa il citez din nou pe Susskind, care a reusit, in interviul de care aminteam mai devreme, sa ne dea o foarte buna si simpla expunere a problemei legate de teoria lui Hawking. „Doua mari teorii, fiecare in parte confirmata experimental intr-o maniera foarte precisa, par sa se contrazica atunci cand descriu informatia continuta intr-o gaura neagra: pe de o parte, avem relativitatea generala, ale carei ecuatii descriu existenta si proprietatile gaurilor negre, iar, pe de alta parte, mecanica cuantica, [disciplina care], prin principiul reversibilitatii, descrie comportamentul particulelor subatomice. […] [Pentru a intelege acest principiu al reversibilitatii, voi da un exemplu.] Atunci cand o particula interactioneaza cu o alta, ea poate fi absorbita, reflectata sau poate sa se dezintegreze in mai multe particule. Dar totdeauna vom putea sa reconstituim starea sa initiala (sarcina electrica, viteza etc.) plecand de la produsele rezultate in urma interactiunii. Informatia purtata de particula este conservata totdeauna. Aceasta este o lege fundamentala a mecanicii cuantice, poate cel mai important principiu al intregii fizici, fie ea cuantica sau «clasica». Sa luam exemplul unui calculator. Informatiile continute pe hard disk pot fi «sterse». Dar, in realitate, ele nu sunt decat aruncate in atmosfera, sub forma unei cantitati de energie absorbite de moleculele din mediu. Informatiile initiale sunt total distruse si nu sunt recuperabile prin tehnologiile actuale. Dar, de fapt, ele se pastreaza!"

Mai pe scurt, putem spune asa: daca legile fundamentale ale fizicii sunt corecte, o gaura neagra nu are cum sa „stearga" nici macar o mica parte din informatia existenta in Univers.
Au urmat apoi ani de cautari pentru Susskind si ‘t Hooft. Trebuia gasita o cale de salvare a principiilor fundamentale ale mecanicii cuantice. Asa cum marturisea Susskind in cartea sa „The Cosmic Landscape", solutia a venit tot de la Hawking. In teoria lui privitoare la gaurile negre, acesta aratase ca respectivele gauri poseda energie termica. Ele nu se afla la temperatura zero absolut. Dar orice corp care inregistreaza o temperatura mai mare decat zero absolut emite radiatii, care, in cazul gaurilor, negre poarta numele de radiatii Hawking.

O clipa… am anticipat un pic. Trebuie sa ne intoarcem la experimentul mintal pe care vi l-am propus mai devreme. De aceasta data va voi dezvalui cum voi vedea eu lucrurile atunci cand voi cadea in gaura neagra. Daca dvs., observatorul extern, imi veti plange soarta atunci cand veti vedea cum ma faram in particule elementare si cum dispar din acest Univers, eu voi percepe intamplarile cu totul altfel. Din punctul meu de vedere, calatoria catre orizontul evenimentelor nu implica nici o drama. Pot chiar continua sa scriu la articolul pentru ST, desi am trecut de el. Daca am avut intelepciunea sa imi aleg o gaura neagra suficient de mare – sa zicem, cu o raza a orizontului evenimentelor de cateva milioane de ani-lumina (nu stiu sa existe asa ceva, dar este vorba despre un experiment mintal, asa ca imi pot permite sa fortez lucrurile, de dragul povestii) –, atunci voi putea calatori aproape un milion de ani fara vreo problema. Problemele vor aparea abia cand voi ajunge la miezul gaurii negre, moment in care fortele gravitationale ma vor descompune si din punctul meu de vedere. Desigur, nu am sa va pot comunica nimic din ceea ce voi face, pentru ca voi fi trecut dincolo de punctul fara intoarcere. (Acest exemplu l-am adaptat dupa cel oferit in cartea de care aminteam mai devreme: „Cosmic Landscape" a lui Susskind

Cele prezentate mai sus contrazic in modul cel mai evident bunul nostru simt. Nu pot exista doua asemenea realitati simultan. Nu pot exista distrugere si nondistrugere in acelasi timp. Si totusi, prin ceea ce v-am povestit, am schitat un principiu important: cel al complementaritatii gaurilor negre. Cu un principiu asemanator probabil ca sunteti obisnuiti atunci cand vine vorba despre fotoni. Ei pot fi sau unda, sau corpuscul, depinde doar de felul in care faci masuratoarea. La fel se intampla si in cazul gaurilor negre. Este valabila sau una, sau alta dintre realitati, totul depinde de punctul de observare. Plecand de la aceasta constatare stranie, putem incerca sa vorbim despre principiul holografic.

Principiul holografic
Susskind recunoaste ca nu stie cine a avut primul ideea principiului holografic. Aceeasi idee le-a venit, aproape simultan, si lui, si lui ‘t Hoft. Din nou voi evita sa intru in detalii. Nu este aici locul unei lectii de fizica. Ma voi folosi doar de analogia utilizata de Susskind in cartea despre care pomeneam anterior.

Atunci cand facem o fotografie, obtinem o imagine bidimensionala. Din aceasta imagine, evident, lipseste o dimensiune spatiala si numai faptul ca suntem obisnuiti sa reconstruim mental dimensiunea-lipsa ne ajuta sa putem reconstitui perspectiva. Sa nu credeti ca asta este o treaba de la sine inteleasa. Este suficient sa priviti in istoria picturii si o sa constatati ca abia foarte tarziu, pe la inceputul Renasterii, a putut fi introdusa perspectiva in pictura. Acum sa luam o fotografie, sa o incarcam in calculator si apoi sa o afisam pe ecranul unui monitor. Sa ne imaginam ca acest ecran are 1.000 x 1.000 de pixeli. In acest fel, imaginea devine suma unor informatii digitale, referitoare la culoare si intensitate, stocate in fiecare dintre pixelii ecranului. In cazul ecranului nostru, avem nevoie de un milion de pixeli. Acum, sa facem un pas mai departe. Vrem sa obtinem o imagine tridimensionala, care sa contina toata informatia dintr-un volum dat. In acest caz, unitatea de informatie va fi continuta in „voxeli" (asa ii numeste Susskind). Pentru a obtine aceeasi rezolutie a imaginii, vom avea nevoie de 1.000 x 1.000 x 1.000 de voxeli, adica de un miliard de voxeli. Puteti vedea ca pentru a obtine o imagine tridimensionala se cere o cantitate mult mai mare de informatie. In cazul imaginii bidimensionale, informatia este proportionala cu suprafata, iar in cazul imaginii tridimensionale, e proportionala cu volumul. Va rog sa retineti aceasta idee, este una foarte importanta

Acum sa mergem mai departe. Avem la dispozitie tehnologia prin care putem stoca o imagine tridimensionala pe o suprafata bidimensionala. O stiti si dumneavoastra, este vorba despre holografie. Folosind o instalatie nu foarte complicata, cu ajutorul unei placi fotografice si al unor fascicule laser, putem inregistra o imagine tridimensionala pe un suport bidimensional. Nu stiu daca ati vazut vreodata cum arata o asemenea holograma. Daca va veti uita cu ochiul liber la ea, nu veti putea recunoaste nimic. Veti identifica niste figuri de interferenta, care nu au nici un sens. Si totusi, acolo, pe placa fotografica, se afla stocata imaginea in trei dimensiuni. Pentru a reconstitui volumul fotografiat, aveti nevoie de un algoritm de descifrare. Este vorba despre un formalism matematic extrem de complicat, dar nu va temeti. Avem o solutie extrem de simpla. Tot mecanismul de decodificare, adica de reconstituire a volumului initial, poate fi realizat prin iluminarea hologramei cu ajutorul unui fascicul laser. Dar va trebui sa platiti un pret. Pentru un volum cubic cu latura de 1.000 de pixeli, veti avea nevoie de 1.000 x 1.000 x 1.000, adica de un miliard de pixeli stocati pe placa fotografica. Va rog sa remarcati ca, in cazul acestei holograme, cantitatea de informatie necesara este proportionala cu volumul si ca informatia aflata pe placa fotografica trebuie mai intai decodificata pentru a putea fi inteleasa.
article-0-0E93095500000578-129_634x846
Ce se intampla atunci cand vorbim despre principiul holografic? De aici incolo, lucrurile tind sa iasa din sfera sanatosului nostru bun-simt. In acest caz, numarul de pixeli necesari pentru a stoca o imagine tridimensionala este proportional cu suprafata, nu cu volumul. Ca sa va faceti o idee, ar trebui sa va imaginati ca sunteti intr-o camera. Tot ceea ce se intampla in ea, toate obiectele care se afla acolo pot fi descrise ca o informatie stocata pe suprafata peretilor. Nu veti avea nevoie de un miliard de pixeli, ca in cazul unei holograme clasice, ci de numai un milion…

Ce are de-a face asta cu gaurile negre? Inconjurati, imaginar, desigur, aceasta gaura neagra cu o sfera de mari dimensiuni. Tot ceea ce se intampla in interiorul sferei, gaura neagra care atrage inexorabil materia, eu care cad si trec dincolo de orizontul evenimentelor, orice eveniment din interiorul acestei sfere nu este altceva decat o proiectie a informatiei stocate pe suprafata sferei imaginare!

Vorbeam mai devreme de principiul complementaritatii gaurilor negre, adica despre faptul ca, in functie de punctul de observare, avem de-a face cu doua realitati. Se regaseste asta in principiul holografic? Raspunsul scurt este simplu: desigur! In cazul hologramei obisnuite, avem nevoie de un algoritm prin care sa reconstituim informatia stocata in ea (asa cum spuneam, in loc sa facem calcule, putem folosi un fascicul laser). In cazul principiului holografic, informatia stocata pe sfera imaginara care contine gaura neagra poate fi decodificata in doua feluri. Exista doua reconstructii ale aceleiasi holograme, adica doua realitati complementare! Intr-una dintre aceste reconstructii vedem cum cel ce cade inspre o gaura neagra este distrus pe masura ce se apropie de orizontul evenimentelor, iar in cea de-a doua reconstructie, cu un alt algoritm, am vedea totul asa cum il vede cel ce se prabuseste in gaura neagra, adica o calatorie lipsita de dramatism.

Aceasta constatare este una fascinanta. Este fascinanta pentru ca poate fi extinsa la scara intregului Univers! Se poate defini si in cazul Universului nostru un „orizont al evenimentelor", aflat la vreo 42 de miliarde de ani-lumina de noi. Acolo s-ar afla „ecranul" pe care „ruleaza" filmul 3D ale carui personaje suntem noi. Fizicianul Craig Hogan, de la FermiLab, explica pentru revista New Scientist: „A exista intr-un Univers [holografic] este ca si cum ai exista intr-un film 3D. La scara mare, [Universul] ne apare ca fiind neted si tridimensional, dar, daca te apropii de ecran, vei descoperi ca [spatiu-timpul] este plan si pixelat."

Traim intr-un urias film 3D care se desfasoara pe ecranul de la marginile Universului? Greu de spus. Deocamdata avem o ipoteza, bine sustinuta teoretic, dar este vorba doar de o ipoteza. Susskind si-a publicat concluziile in 1995 in lucrarea „The World as a Hologram" („Lumea ca o holograma"). La inceput, ele au fost privite cu multa neincredere. Apoi au inceput sa apara din ce in ce mai multe lucrari stiintifice in care ipoteza unui univers holografic era luata in serios. Mai mult decat atat, este posibil (subliniez prin repetare: este posibil) sa avem deja unele dovezi referitoare la aceasta holograma. Asa cum spunea Hogan, daca ne-am apropia de ecran, am putea descoperi ca spatiu-timpul este pixelat. In Germania este amplasat detectorul de unde gravitationale GEO600. Asa cum v-ati dat seama, scopul acestui detector este acela de a detecta oscilatiile spatiu-timpului provocate de undele gravitationale. Masuratoarea trebuie sa fie extrem de precisa, deoarece amplitudinea acestor unde gravitationale, anticipate de teoria relativitatii, este mai mica decat dimensiunea unui atom de hidrogen. La GEO600 nu s-au identificat, deocamdata, semnalele vreunei unde gravitationale. In schimb s-a putut masura un zgomot de fond neasteptat, care nu ar fi trebuit sa existe. Hogan presupune ca acest zgomot are caracteristici care l-ar face un mesager al „pixelilor" spatiu-timpului. Nu toata lumea este de acord ca zgomotul de fond ar putea reprezenta dovada unui univers holografic. Mai exista si alte cai de verificare a „pixelizarii" spatiu-timpului. Fotonii gamma, care sunt emisi in timpul asa-numitelor izbucniri gamma, ar trebui sa capete o polarizare preferentiala, daca structura spatiu-timpului ar fi una pixelata. (Gamma Ray Burst – GRB este un fenomen iesit din comun prin care, pentru perioade relativ scurte de timp, ne sosesc de la mare distanta fluxuri foarte intense de radiatii gamma.) Dar masuratorile efectuate de satelitul Integral al ESA au aratat ca nu exista vreo polarizare preferentiala a acestor fotoni, deci spatiu-timpul este „neted" la scara cuantica a lumii.

Lucrurile nu se opresc aici. Hogan tocmai construieste la FermiLab un nou echipament, pe care l-a numit holometru, dupa numele unui dispozitiv din Evul Mediu cu care se masurau „cerurile si Pamantul". Acest instrument, spera cercetatorul american, ar putea aduce dovada ca traim intr-un Univers holografic, ca suntem o proiectie a unei lumi bidimensionale.
sursa Stiinta si tehnica

Universul ca o holograma

Semnaleaza o problema