Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων GEO600 θα ελέγξει την ιδέα του ολογραφικού σύμπαντος

Άρθρο, Μάρτιος 2009

Μήπως ζούμε σε ένα ολογραφικό Σύμπαν; Έχει ο χώρος και ο χρόνος κοκκώδη υφή; Υπάρχει κβαντικός θόρυβος στο χωρόχρονο; Ο αμερικανός φυσικός Craig Hogan είναι πεπεισμένος ότι έχει βρει αποδείξεις γι αυτά στα στοιχεία που έχει συλλέξει ο γερμανοβρετανικός ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων GEO600 - και ότι οι ιδέες του θα μπορούσαν να εξηγήσουν τον μυστηριώδη θόρυβο - ή ολογραφικό θόρυβο κατά τον ίδιο - στα δεδομένα που έχει συλλέξει ο ανιχνευτής, και ο οποίος δεν έχει εξηγηθεί μέχρι σήμερα.

Μπορεί ο ανιχνευτής GEO600 να ακούσει τον κβαντικό θόρυβο του χωροχρόνου;

Κατά τους προσεχείς μήνες θα γίνουν νέα πειράματα που θα αποφέρουν περισσότερα στοιχεία σχετικά με τις παραδοχές του Craig Hogan, όπως:
Για τον έλεγχο της θεωρίας του ολογραφικού θορύβου, η συχνότητα της μέγιστης ευαισθησίας του GEO600 θα μετατεθεί προς όλο και υψηλότερες συχνότητες. Η συχνότητα της μέγιστης ευαισθησίας είναι ο τόνος που ο ανιχνευτής μπορεί να ακούσει καλύτερα. Αυτός συνήθως προσαρμόζεται για να προσφέρει καλύτερη ακρόαση των άστρων που γίνονται σουπερνόβες ή  των μαύρων οπών που συγχωνεύονται.

Ακόμη και αν αποδειχθεί ότι ο μυστηριώδης θόρυβος είναι ο ίδιος στις υψηλές συχνότητες, όπως και στις χαμηλότερες, αυτό δεν θα αποτελεί απόδειξη για την υπόθεση Hogan. Ωστόσο, θα έδινε ένα ισχυρό κίνητρο και για άλλη μελέτη. Η ευαισθησία του GEO600 θα βελτιωθεί σημαντικά με τη χρήση του "συμπιεσμένου κενού" και από την εγκατάσταση ενός φίλτρου λειτουργίας σε ένα νέο θάλαμο κενού. Η τεχνολογία του «συμπιεσμένου κενού» έχει εκλεπτυνθεί ιδιαίτερα στο Ανόβερο που βρίσκεται ο GEO600  και θα χρησιμοποιηθεί για πρώτη φορά σε ένα ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων.

Οι ερευνητές στον ανιχνευτή GEO600 πιστεύουν πως την χρονιά που μας έρχεται μπορεί να έχουν κάποια στοιχεία για τον θόρυβο του ολογράμματος, γιατί είναι ο μόνος στον κόσμο που έχει τη δυνατότητα να ελέγξει αυτή την αμφιλεγόμενη θεωρία. Σε αντίθεση με τα άλλα μεγάλα συμβολόμετρα με λέιζερ που εξετάζουν την υπόθεση των βαρυτικών κυμάτων, ο GEO600 αντιδρά κυρίως με ευαισθησία στην πλευρική κίνηση του διαχωριστή των ακτίνων λέιζερ, διότι είναι κατασκευασμένος χρησιμοποιώντας την αρχή της ανακύκλωσης του σήματος.

Κανονικά αυτό είναι ενοχλητικό, όμως πρέπει το σήμα της ανακύκλωσης να αντισταθμίσει τα μήκη του μικρότερου βραχίονα σε σχέση με άλλους ανιχνευτές. Ο θόρυβος του ολογράμματος, ωστόσο, παράγει ακριβώς ένα τέτοιο πλευρικό μήνυμα και έτσι το μειονέκτημα γίνεται πλεονέκτημα σε αυτή την περίπτωση. Θα μπορούσε να πει κανείς ότι το γεγονός αυτό έχει τοποθετήσει τον GEO600 στο επίκεντρο της βασικής έρευνας.

Ολογραφική Αρχή

Η ολογραφική αρχή είναι μια ιδιότητα των θεωριών κβαντικής βαρύτητας, η οποία επιλύει το πληροφοριακό παράδοξο των μαύρων τρυπών στα πλαίσια της θεωρίας των χορδών.

Η ολογραφική αρχή προτάθηκε αρχικά από τον νομπελίστα φυσικό Gerard 't Hooft αλλά η ακριβής ερμηνεία της, στο πλαίσιο της θεωρίας των χορδών, δόθηκε από τον Leonard Susskind. Σύμφωνα με την αρχή αυτή, το σύνολο της πληροφορίας που περιέχεται σε μια περιοχή του χώρου μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι κωδικοποιημένο πάνω στην επιφάνεια που αποτελεί το σύνορο της περιοχής αυτής.

Η Ολογραφική Αρχή έχει στηριχθεί σε ερευνητικές εργασίες των Jacob Bekenstein και Stephen Hawking σχετικά με τις μαύρες τρύπες. Στα μέσα της δεκαετίας του 70, ο Hawking απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι στην πραγματικότητα «μαύρες» αλλά εκπέμπουν με βραδύ ρυθμό ακτινοβολία, την ακτινοβολία Hawking, γεγονός που τελικά οδηγεί στην εξάτμιση και εξαφάνιση τους.

Αυτό αρχικά δημιούργησε έναν επιστημονικό γρίφο αφού η ακτινοβολία Hawking δεν μεταφέρει πληροφορίες από το εσωτερικό της μαύρης τρύπας αλλά μόνο από την εξωτερική επιφάνεια της, που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Έτσι θεωρήθηκε ότι όταν εξατμιστεί η μαύρη τρύπα, χάνονται όλες οι πληροφορίες σχετικά με το αρχικό άστρο που κατέρρευσε για να σχηματιστεί η μαύρη τρύπα. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την ευρέως επιβεβαιωμένη αρχή ότι η πληροφορία δεν καταστρέφεται. Ο εν λόγω γρίφος είναι γνωστός ως «το πληροφοριακό παράδοξο των μαύρων τρυπών».

Η εργασία του Bekenstein προσέφερε σημαντική βοήθεια για την επίλυση του πληροφοριακού παραδόξου. O Bekenstein ανακάλυψε ότι η εντροπία μιας μαύρης τρύπας, η οποία εκφράζει το πληροφοριακό της περιεχόμενο, είναι ανάλογη με το εμβαδόν της επιφάνειας του ορίζοντα γεγονότων της.

Οι επιστήμονες κάνοντας χρήση της κβαντικής θεωρίας πεδίου, έδειξαν ότι όλες οι πληροφορίες σχετικά με τη μαύρη τρύπα «αποτυπώνονται» στον ορίζοντα γεγονότων της και συγκεκριμένα σε μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις που αναπτύσσονται στον ορίζοντα αυτόν. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, μεταφέρει στους «εξωτερικούς» παρατηρητές όλες τις πληροφορίες σχετικά με τη μαύρη τρύπα και το αρχικό άστρο από το οποίο αυτή προήλθε. Έτσι, δεν υπάρχει απώλεια πληροφορίας καθώς εξατμίζεται η μαύρη τρύπα.

Διαπιστώνουμε λοιπόν ότι όλες οι πληροφορίες ενός τρισδιάστατου αντικειμένου (αρχικό άστρο) αποτυπώνονται στη δισδιάστατη επιφάνεια (ορίζοντας γεγονότων) της μαύρης τρύπας που σχηματίζεται από την κατάρρευση του άστρου, σε αντιστοιχία με την αποτύπωση της τρισδιάστατης εικόνας ενός αντικειμένου σε ένα δισδιάστατο ολόγραμμα.

Οι Susskind και 't Hooft επέκτειναν τον προηγούμενο συλλογισμό εφαρμόζοντας τον σε όλο το σύμπαν, στηριζόμενοι στο γεγονός ότι και στο σύμπαν υπάρχει ένας (κοσμικός) ορίζοντας, το όριο πέρα από το οποίο το φως, άρα και η πληροφορία που μεταφέρεται από αυτό, δεν έχει καταφέρει ακόμα να φτάσει στη Γη, στο διάστημα των 13,7 δισεκατομμυρίων ετών που έχουν μεσολαβήσει από τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης.

Επίσης, ο θεωρητικός φυσικός Juan Maldacena έχει διαπιστώσει ότι η ιδέα των Susskind και Ί Hooft είναι προς τη σωστή κατεύθυνση, γιατί όπως έδειξε ο Maldacena ένας υποθετικός κόσμος πέντε διαστάσεων που διέπεται από τους νόμους της θεωρίας των χορδών, είναι ισοδύναμος με έναν κόσμο τεσσάρων διαστάσεων που αποτελεί το σύνορο του πενταδιάστατου κόσμου.

Έτσι, σύμφωνα με την πιο γενική εκδοχή της ολογραφικής αρχής, το σύμπαν ολόκληρο μπορεί να θεωρηθεί ως μια δισδιάστατη δομή πληροφοριών που είναι αποτυπωμένη πάνω στον κοσμολογικό ορίζοντα (δηλαδή πάνω στην κοσμική επιφάνεια που αποτελεί το όριο παρατήρησης), έτσι ώστε ο τρισδιάστατος χώρος που βλέπουμε να αποτελεί απλώς μια εύχρηστη περιγραφή του κόσμου μας σε χαμηλές ενέργειες.

Παρότι η κοσμολογική ολογραφία δεν έχει ακόμα θεμελιωθεί με μαθηματική ακρίβεια, η ιδέα ότι ο κόσμος μας μπορεί να είναι ένα τεράστιο ολόγραμμα είναι ιδιαίτερα ελκυστική για πολλούς επιστήμονες.

Ο Craig Hogan αφού μελέτησε τα δεδομένα από τον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων GEO600, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ίσως βρισκόμαστε μπροστά σε μια από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις που έχουν γίνει στη φυσική τα τελευταία πενήντα χρόνια: στη διαπίστωση ότι το σύμπαν μας ίσως είναι ένα γιγαντιαίο ολόγραμμα.

Αναζητώντας την κοκκώδη υφή του χωροχρόνου

Η μικρότερη δυνατή απόσταση ονομάζεται από τους φυσικούς "μήκος Planck", κάτι σαν το κβάντα του χώρου. Η τιμή της είναι 1,6 x 10^-35 m - και είναι αδύνατο να μετρηθεί, ενώ οι καθιερωμένες θεωρίες της φυσικής παύουν να λειτουργούν σε αυτή την κλίμακα. Οι επιστήμονες του ανιχνευτή GEO600 θέλουν να ελέγξουν μια θεωρία του αμερικανού φυσικού Craig Hogan, ο οποίος είναι πεπεισμένος ότι μπορεί να ακούσει τον θόρυβο του χωρικού κβάντα στα δεδομένα που συλλέγει ο ανιχνευτής των βαρυτικών κυμάτων GEO600.

Οι επιστήμονες προσπαθούσαν για πολύ καιρό να εξηγήσουν την προέλευση του μυστηριώδους κοσμικού θορύβου που αποτυπωνόταν στα δεδομένα του ανιχνευτή GEO600. Όμως, ο Hogan είχε εκ των προτέρων προβλέψει την ύπαρξη αυτού του θορύβου, που ονομάστηκε ολογραφικός θόρυβος.

Σύμφωνα με τον Hogan, ο GEO600 αποτύπωσε το θεμελιώδες όριο του χωροχρόνου, το όριο δηλαδή όπου ο χωροχρόνος από συνεχής και ομαλός γίνεται ασυνεχής και «κοκκώδης», ακριβώς όπως συμβαίνει όταν μεγεθύνουμε συνεχώς μια φωτογραφία: από ένα σημείο και μετά, η αρχικά συνεχής εικόνα αναλύεται σε ένα ασυνεχές πλέγμα από κουκκίδες.

Αριστερά: Craig Hogan: είναι ο διευθυντής του Κέντρου Σωματιδιακής Αστροφυσικής στον Επιταχυντή Fermi, καθώς και καθηγητής Αστρονομίας και Αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Ήταν μέλος της ομάδας των επιστημόνων που συν-ανακάλυψε την σκοτεινή ενέργεια το 1998.

Ο Hogan υποδεικνύει ότι τα κάτοπτρα σε ένα συμβολόμετρο κινούνται το ένα σχετικά με το άλλο, με πολύ γρήγορα βήματα αυτής της μικροσκοπικής ποσότητας Planck. Αυτή η μικροσκοπική κίνηση όμως των κατόπτρων συσσωρεύεται με την πάροδο του χρόνου της μέτρησης, σε μια μεγάλη κίνηση που μοιάζει με αυτό που παράγει ένα βαρυτικό κύμα.

Ο Hogan και οι επιστήμονες του GEO600 εν συνεχεία προσπάθησαν να καταλάβουν το αντίστροφο, αν δηλαδή μέσα σε ένα συγκεκριμένο 'σήμα θορύβου' στα στοιχεία που καταγράφηκαν από τον ανιχνευτή, μπορούν να εντοπίσουν την κοκκώδη υφή του χώρου και του χρόνου.

Αν η θεωρία του αποδειχθεί σωστή αφενός θα έχουμε προσδιορίσει ότι η υφή του χωροχρόνου δεν είναι συνεχής αλλά είναι κβαντισμένη, και αφετέρου θα βοηθήσει τους θεωρητικούς να ενοποιήσουν την κβαντική μηχανική με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και να καταλήξουν σε μια συνεπή ενοποιημένη θεωρία.

Ο Hogan υποστηρίζει πως το σύμπαν στο οποίο ζούμε δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένα τεράστιο κοσμικό ολόγραμμα. Μπορεί να φαίνεται παράλογη η ιδέα ότι ζούμε σε ένα ολόγραμμα, αλλά μπορεί δικαιολογηθεί με βάση αυτά που ξέρουμε για τις μαύρες τρύπες, ενώ ταυτόχρονα μάλλον συμφωνεί και με γενικότερες θεωρητικές προβλέψεις.

Ο Hogan πιστεύει ότι αν ο χωροχρόνος είναι ένα κοκκώδες ολόγραμμα, τότε μπορούμε να φανταστούμε το σύμπαν σαν μια σφαίρα, η εξωτερική επιφάνεια της οποίας αποτελείται από μικροσκοπικά τετράγωνα με μήκος πλευράς ίσο με το μήκος του Planck και όπου το κάθε μικροσκοπικό τετράγωνο περιέχει μια μονάδα (ένα μπιτ) πληροφορίας.

Η ολογραφική αρχή υποστηρίζει ότι η ποσότητα της πληροφορίας που είναι αποτυπωμένη στην επιφάνεια της σφαίρας, πρέπει να αντιστοιχεί στον αριθμό των μπιτ πληροφορίας που περιέχονται στο εσωτερικό της σφαίρας. Πώς όμως μπορεί να συμβαίνει αυτό όταν ο όγκος του σφαιρικού σύμπαντος είναι πολύ μεγαλύτερος από την εξωτερική του επιφάνεια;

Ο Hogan συνειδητοποίησε ότι για να υπάρχει ο ίδιος αριθμός μπιτ στο εσωτερικό και στην επιφάνεια της σφαίρας του σύμπαντος, οι χωροχρονικοι κόκκοι στο εσωτερικό της σφαίρας θα πρέπει να είναι μεγαλύτεροι από τους αντίστοιχους κόκκους της επιφάνειας. Και ονόμασε το φαινόμενο αυτό «ολογραφική ομίχλη» (holographic blurring).

Κατά συνέπεια, η μικροσκοπική κοκκώδης υφή του χωροχρόνου στο εσωτερικό της σφαίρας του σύμπαντος γίνεται, θεωρητικά τουλάχιστον, διακρίσιμη από τα όργανα παρατήρησης που διαθέτουμε. Έτσι, ενώ το μήκος του Planck είναι υπερβολικά μικρό για να μετρηθεί πειραματικά, η ολογραφική «προβολή» της κοκκώδους υφής του χωροχρόνου μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη, περίπου 10^-16 m.

Όταν μάλιστα ο Hogan κατέληξε στο συμπέρασμα αυτό, αναρωτήθηκε πώς θα μπορούσε η ολογραφική αυτή ομίχλη να αποτυπωθεί σε κάποιο πείραμα. Όπως αναφέρει το κρίσιμο σημείο πειραμάτων όπως αυτό του GEO600 είναι η ευαισθησία σε μεταβολές του μήκους που είναι πολύ μικρότερες από τη διάμετρο του πρωτονίου. Έτσι, το ερώτημα που τίθεται είναι αν τέτοια πειράματα θα μπορούσαν να αποτυπώσουν τους χωροχρονικούς κόκκους. Από τους πέντε ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που υπάρχουν σε όλη τη Γη, ο Hogan αντιλήφθηκε ότι ο GEO600 πρέπει να είναι ο πλέον ευαίσθητος όσον αφορά την ανίχνευση της κοκκώδους υφής του χωροχρόνου. Προέβλεψε λοιπόν ότι αν ο διαχωριστής δέσμης του GEO600 μπορούσε να διακρίνει την ασυνεχή δομή του χωροχρόνου, αυτό θα φαινόταν στις μετρήσεις με τη μορφή ενός περίεργου «θορύβου» που θα εμφανιζόταν στο σήμα φωτός του λέιζερ.

Από την άλλη μεριά, η ομάδα του GEO600 προβληματιζόταν από την παρουσία του άγνωστου θορύβου στις συχνότητες από 300 έως 1500 Hz. Όταν όμως διάβασαν τις προβλέψεις του Hogan του έστειλαν ένα διάγραμμα του θορύβου που κατέγραψε ο ανιχνευτής και ο Hogan διαπίστωσε ότι η μορφή και τα χαρακτηριστικά του ήταν ακριβώς αυτά που είχε προβλέψει.

Ωστόσο, οι επιστήμονες είναι αρκετά επιφυλακτικοί και δεν ισχυρίζονται ότι υπάρχουν αποδείξεις ότι ζούμε σε ένα ολογραφικό σύμπαν.

Ο ίδιος ο Hogan λέει μάλιστα πως είναι πολύ νωρίς για να ισχυριστούμε κάτι τέτοιο αφού, θεωρητικά, ο συγκεκριμένος θόρυβος θα μπορούσε να αποδοθεί σε μια πιο «εγκόσμια» πηγή. Γιατί οι ανιχνευτές των βαρυτικών κυμάτων είναι εξαιρετικά ευαίσθητα όργανα και έτσι, για να αποκλειστούν οι διάφορες πηγές συνηθισμένου θορύβου, οι επιστήμονες πρέπει να είναι πολύ περισσότερο προσεκτικοί και σχολαστικοί απ' ό,τι συνήθως. Πρέπει να λάβουν υπόψη τον θόρυβο που οφείλεται στα διερχόμενα σύννεφα, σε ανεπαίσθητες σεισμικές δονήσεις καθώς και σε πολλές άλλες πηγές που παράγουν θόρυβο και καλύπτουν το πραγματικό σήμα.

Μέχρι τώρα δεν έχει βρεθεί κάποια συνηθισμένη πηγή στην οποία θα μπορούσε με αξιοπιστία να αποδοθεί ο μυστηριώδης θόρυβος που καταγράφει ο ανιχνευτής GEO600. Υπήρξε η σκέψη, ο θόρυβος που ο Hogan αποδίδει στην κοκκώδη υφή του χωροχρόνου, να οφείλεται σε διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του διαχωριστή δέσμης. Ωστόσο, υπολογίστηκε ότι οι διακυμάνσεις αυτές θα μπορούσαν να δικαιολογήσουν μόνο ένα μέρος, και συγκεκριμένα έως το 1/3 του θορύβου που καταγράφει ο ανιχνευτής.

Ο ανιχνευτής των βαρυτικών κυμάτων GEO600

Λόγω μιας καινοτόμου και αξιόπιστης τεχνολογίας, ο GEO 600 έχει αποκτήσει μια εξαιρετική παγκόσμια φήμη και θεωρείται ένα εργαστήριο ιδεών για την παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων διεθνώς. Είναι το πιο σύγχρονο λέιζερ στον κόσμο από αυτά που χρησιμοποιούνται σε όλα τα παρατηρητήρια των βαρυτικών κυμάτων σήμερα.

Ένα σημαντικό τεχνολογικό καινούργιο επίτευγμα των ερευνητών είναι το «συμπιεσμένο κενό». Η τεχνολογία αυτή προορίζεται για χρήση στην τρίτη γενιά ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων και πρόκειται ίσως να φέρει επανάσταση στην ανίχνευση του Ολογραφικού Σύμπαντος.

Αν ένα βαρυτικό κύμα περάσει μέσα από τον ανιχνευτή GEO600, αυτό που θα κάνει είναι να «τεντώσει» ελάχιστα τον χώρο προς μία κατεύθυνση και να τον «συμπιέσει» επίσης ελάχιστα, προς μία άλλη κατεύθυνση. Με άλλα λόγια, θα παρατηρηθεί μια πολύ μικρή διαστολή μήκους προς μία κατεύθυνση και μια πολύ μικρή συστολή μήκους προς μία άλλη κατεύθυνση. Για να μετρηθεί αυτό, η ομάδα του GEO600 εκπέμπει μία δέσμη λέηζερ μέσα από ένα ημιεπαργυρωμένο κάτοπτρο που ονομάζεται διαχωριστής δέσμης. Ο διαχωριστής διαχωρίζει τη δέσμη σε δύο δέσμες οι οποίες διατρέχουν τους κάθετους μεταξύ τους, μήκους 600 μέτρων, βραχίονες του ανιχνευτή και επιστρέφουν. Όταν οι δέσμες που επιστρέφουν φτάσουν στον διαχωριστή, συμβάλλουν και δημιουργούν μια εικόνα συμβολής, δηλαδή μια εικόνα από φωτεινές και σκοτεινές περιοχές όπου τα φωτεινά κύματα σε άλλες περιοχές αλληλο-εξουδετερώνονται και σε άλλες περιοχές ενισχύονται. Από την εικόνα συμβολής, μπορεί να υπολογιστεί αν και κατά πόσο έχει αλλάξει το μήκος των βραχιόνων.

Ο ανιχνευτής GEO600 είναι ένα κοινό πρότζεκτ των επιστημόνων του Ινστιτούτου Max Planck για την βαρυτική φυσική, των Πανεπιστημίων του Αννόβερου, του  Κάρντιφ, της Γλασκώβης και του Birmingham.

Πηγές: Το Περισκόπιο της Επιστήμης, GEO600: http://www.geo600.de, Wikipedia, "Ο Κόσμος μας είναι ένα γιγάντιο ολόγραμμα;" http://www.newscientist.com/