Μια παράξενη θεωρία που λέγεται ολογραφική αρχή, λέει ότι το Σύμπαν είναι σαν ένα ολόγραμμα. Όπως το φως μας επιτρέπει να απεικονίσουμε ένα τρισδιάστατο είδωλο πάνω σε ένα επίπεδο φιλμ, έτσι και το φαινομενικά τρισδιάστατο Σύμπαν μπορεί να είναι τελείως ισοδύναμο με κάποια κβαντικά πεδία και φυσικούς νόμους, “σχεδιασμένους” σε μια τεράστια μακρινή επιφάνεια. Η φυσική των μαύρων τρυπών μας δίνει κάποια ένδειξη ότι κάτι τέτοιο θα μπορούσε να είναι αληθές. Η μέγιστη εντροπία ή πληροφορία αυτών των περίεργων αντικειμένων, είναι ανάλογη με την επιφάνειά τους, και όχι με τον όγκο τους. Ίσως λοιπόν και ολόκληρο το Σύμπαν να είναι σαν ένα γιγάντιο ολόγραμμα.
Η ΕΝΤΡΟΠΙΑ ΜΙΑΣ ΜΑΥΡΗΣ ΤΡΥΠΑΣ είναι ανάλογη με το εμβαδόν του ορίζοντα των γεγονότων της, δηλαδή την επιφάνεια εκτός της οποίας ούτε το φως δεν θα μπορούσε να διαφύγει υπό την επίδραση της βαρυτικής της έλξης. Πιο συγκεκριμένα, μια τρύπα με έναν ορίζοντα που έχει επιφάνεια A φορές την επιφάνεια Planck, έχει Α/4 μονάδες εντροπίας. (Το εμβαδόν της επιφάνειας Planck, είναι περίπου 10-66 τετραγωνικά εκατοστόμετρα, και είναι η θεμελιώδης επιφάνεια που ορίζεται από την ένταση της βαρύτητας, την ταχύτητα του φωτός, και τη σταθερά του Planck.) Θεωρούμενη ως πληροφορία, είναι σα να είχε γραφτεί η εντροπία πάνω στον ορίζοντα γεγονότων, με κάθε bit (δηλαδή τα ψηφία 0 και 1) ν’ αντιστοιχεί σε 4 εμβαδά του Planck.
Όταν ρωτήσουμε κάποιον, από τι είναι κατασκευασμένος ο κόσμος; η πιο συνηθισμένη απάντηση που θα πάρουμε είναι: από ύλη και ενέργεια.
Για όποιον όμως έχει μια σχετική παιδεία στη μηχανική, τη βιολογία και τη φυσική, η πληροφορία είναι επίσης ένα πολύ σημαντικό συστατικό του κόσμου. Το ρομπότ στο εργοστάσιο αυτοκινήτων είναι κατασκευασμένο από μέταλλο και πλαστικό αλλά δεν μπορεί να κάνει τίποτα απολύτως χωρίς τις λεπτομερείς οδηγίες που θα του λένε ποιο μέρος πρέπει να κολλήσει και σε ποιο σημείο ακριβώς. Το ριβόσωμα μέσα σ΄ ένα κύτταρο του σώματός μας, είναι εφοδιασμένο με συνδυασμούς αμινοξέων και τροφοδοτείται με ενέργεια που ελευθερώνεται κατά τη μετατροπή του ΑΤΡ σε ADP, αλλά δεν μπορεί να συνθέσει πρωτεΐνες χωρίς την πληροφορία που μεταφέρει το DNA. Ομοίως, ένας αιώνας φυσικής μας δίδαξε ότι η πληροφορία είναι ένα βασικό συστατικό των φυσικών συστημάτων και διαδικασιών. Πράγματι, η τρέχουσα τάση που εγκαινιάστηκε από τον John A. Wheeler του πανεπιστημίου Princeton, είναι να θεωρούμε τον κόσμο ως αποτελούμενο από πληροφορία, με την ενέργεια και την ύλη ως πρόσθετα συστατικά του.
Η νεωτεριστική αυτή άποψη για τον κόσμο γεννά και νέα ερωτήματα. Η χωρητικότητα σε πληροφορία των μηχανικών μέσων αποθήκευσης, όπως είναι οι σκληροί δίσκοι, έχει αυξηθεί αλματωδώς. Πού θα σταματήσει αυτή η πρόοδος; Ποια είναι η τελική χωρητικότητα σε πληροφορία μιας συσκευής που ζυγίζει ας πούμε λιγότερο από ένα γραμμάριο, και καταλαμβάνει όγκο λιγότερο από ένα κυβικό εκατοστόμετρο; Πόση πληροφορία χρειάζεται για να περιγράψουμε ένα ολόκληρο Σύμπαν; Θα χωρούσε αυτή η περιγραφή στη μνήμη ενός υπολογιστή; Θα μπορέσουμε ποτέ,- όπως έθεσε το θέμα ο William Blake,- να δούμε όλον τον κόσμο σ’ ένα κόκκο άμμου, ή κάτι τέτοιο αποτελεί μόνο μια ποιητική μεταφορά;
Κάποιες πρόσφατες εξελίξεις στη θεωρητική φυσική, απαντούν σε μερικά από αυτά τα ερωτήματα. Οι απαντήσεις που μας προσφέρουν, μπορεί να είναι σημαντικές ενδείξεις για την τελική θεωρία της πραγματικότητας. Μελετώντας τις μυστηριώδεις ιδιότητες των μαύρων τρυπών, οι φυσικοί έχουν συμπεράνει απόλυτα όρια για το μέγεθος της πληροφορίας που μπορεί να συγκρατήσει μια περιοχή του χώρου η μια ποσότητα ύλης και ενέργειας. Τα σχετικά αποτελέσματα υπαινίσσονται ότι το Σύμπαν μας το οποίο το αντιλαμβανόμαστε να έχει τρεις χωρικές διαστάσεις, μπορεί να έχει “περιγραφεί” σε μια δισδιάστατη επιφάνεια, σαν ένα ολόγραμμα. Η καθημερινή μας τότε αντίληψη για τον κόσμο ως τρισδιάστατο, μπορεί να είναι είτε μια βαθιά πλάνη, είτε απλά ο ένας από τους δύο εναλλακτικούς τρόπους να αντιλαμβανόμαστε την πραγματικότητα. Ένας κόκκος άμμου μπορεί να μην περιέχει όλο τον κόσμο αλλά μια τεράστια επίπεδη οθόνη ίσως να μπορεί.
Το ξεκίνημα της
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. Το τελευταίο έρχεται σε κατάφορη αντίθεση με την ευρέως επιβεβαιωμένη αρχή ότι η πληροφορία δεν καταστρέφεται. Ο εν λόγω γρίφος είναι γνωστός ως «το πληροφοριακό παράδοξο των μαύρων οπών».
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.
Έτσι, οι θεωρητικοί 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. Με τον τρόπο αυτό δεν υπάρχει καμιά απώλεια πληροφορίας καθώς εξατμίζεται η μαύρη τρύπα.
Διαπιστώνουμε λοιπόν ότι όλες οι πληροφορίες ενός τρισδιάστατου αντικειμένου (το αρχικό άστρο μας) αποτυπώνονται στη δισδιάστατη επιφάνεια (στον ορίζοντα γεγονότων) της μαύρης τρύπας που σχηματίζεται από την κατάρρευση του άστρου, σε αντιστοιχία με την αποτύπωση της τρισδιάστατης εικόνας ενός αντικειμένου πάνω 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
Βιβλιογραφία
Black Hole Thermodynamics. Jacob D. Bekenstein in Physics Today, Vol. 33, No. 1, pages 24-31; January 1980.
Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy. Kip S. Thorne. W. W. Norton, 1995.
Black Holes and the Information Paradox. Leonard Susskind in Scientific American, Vol. 276, No. 4, pages 52-57; April 1997.
The Universe in a Nutshell. Stephen Hawking. Bantam Books, 2001.
Three Roads to Quantum Gravity. Lee Smolin. Basic Books, 2002.
