Mitä me olemme?

Maailmamme saattaa olla suuri hologrammi

Ajaessa läpi maaseudun Hannoverin eteläpuolella, olisi helppo ohittaa GEO600- koe huomaamatta sitä. Ulkopuolelta se ei näytä kovinkaan ihmeelliseltä: pellon nurkassa seisoo joukko laatikkomaisia rakennuksia, joden luota lähtee kaksi pitkää aaltopellin peittämää kaivantoa. Pellin alla on 600 metriä pitkä havaintolaite.

Viimeisten seitsemän vuoden ajan tämä saksalainen laitos on etsinyt painovoima-aaltoja - äärimmäisen tiheiden astronomisten kappaleiden, kuten neutronitähtien tai mustien aukkojen, aiheuttamia väreitä aika-avaruudessa. GEO600 ei ole vielä havainnut painovoima-aaltoja, mutta on epähuomiossa saattanut tehdä tärkeimmän havainnon puoleen vuosisataan.

Monen kuukauden ajan GEO600:n tutkijat ovat pähkäilleet syytä havaintolaitetta vaivaavalle selittämättömälle kohinalle. Sitten, yllättäen eräs tutkija lähestyi heitä ja ilmoitti löytäneensä selityksen. Itseasiassa hän oli ennustanut kohinan jo ennen kuin tiesi GEO600:n havainneen sen. Craig Hoganin, fyysikon Fermilabin hiukkasfysiikan laboratoriosta Bataviasta Illinoisin osavaltiosta, mukaan, GEO600 on havainnut aika-avaruuden rajan - pisteen, jossa aika-avaruus lakkaa toimimasta kuin Einsteinin kuvailema tasainen jatkumo ja "rakeutuu" kuin sanomalehden kuvat kun niitä katsoo läheltä. "Vaikuttaa siltä, että aika-avaruuden mikroskooppinen värinä tärisyttää GEO600:aa", sanoo Hogan.

Jos tämä ei vielä hämmästytä, niin Hoganilla, joka on juuri nimitetty Fermilabin hiukkasastrofysiikan keskuksen johtajaksi, on vieläkin ihmeellisempää asiaa: "Jos GEO600:n havainto on mitä luulen sen olevan, niin elämme kaikki suuressa kosmisessa hologrammissa."

Ajatus hologrammissa elämisestä kuulostaa absurdilta, mutta on luonnollinen jatke parhaille teorioille mustien aukkojen olemuksesta ja sillä on vahva teoreettinen pohja. Teoriasta on myös ollut yllättävää apua fyysikoille, jotka tutkivat miten maailmankaikkeus pohjimmiltaan toimii.

Hologrammit, joita näkee pankkikorteissa ja -kuiteissa on kaiverrettu kaksiulotteisille muovipinnoille. Kun valo heijastuu niistä, se luo vaikutelman kolmiulotteisesta kuvasta. 1990-luvulla fyysikko Leonard Susskind ja Nobel-palkinnon saanut Gerard't Hooft ehdottivat, että samaa periaatetta voi ehkä soveltaa maailmankaikkeuteen kokonaisuudessaan. Jokapäiväinen elämämme voi olla holograafinen kuvajainen fysikaalisista prosesseista, jotka tapahtuvat kaukaisella kaksiulotteisella pinnalla.

"Holograafinen periaate" haastaa käsityskykymme. On vaikea uskoa, että heräsit, harjasit hampaasi ja luet tätä artikkelia koska jotain tapahtuu maailmankaikkeuden rajoilla. Kukaan ei tiedä mitä hologrammissa eläminen kohdallamme tarkoittaisi, mutta teoreetikoilla on hyviä syitä epäillä, että monet holograafisen periaatteen näkökannat ovat totta.

Susskindin ja t' Hooft'sin huomattavaa ajatusta tuki Jacob Bekensteinin Jerusalemin Heprealaisessa yliopistossa ja Stephen Hawkingin Cambridgen yliopistossa tekemä mullistava työ mustien aukkojen parissa. 1970-luvun puolessa välissä Hawking osoitti, että mustat aukot eivät ole täysin "mustia", vaan emittoivat säteilyä, joka saa aikaan mustien aukkojen hitaan haihtumisen ja lopulta niiden katoamisen. Tämä synnytti haasteen, sillä Hawkingin säteily ei sisällä informaatiota mustan aukon sisältä. Kun musta aukko katoaa, kaikki informaatio tähdestä, joka romahtaessaan sen synnytti, häviäisi. Tämä on ristiriidassa laajalti hyväksytyn perusoletuksen kanssa, jonka mukaan informaatio ei voi kadota. Tämä tunnetaan nimellä mustan aukon informaatioparadoksi.

Bekensteinin työ tarjosi tärkeän vihjeen paradoksin selvittämisessä. Hän huomasi, että mustan aukon entropia - joka on sama asia kuin sen informaatiosisältö - on verrannollinen sen tapahtumahorisontin pinta-alaan. Tapahtumahorisontti on teoreettinen pinta, joka peittää mustaa aukkoa ja jonka sisältä valo ei voi paeta. Teoreetikot ovat sen jälkeen osoittaneet, että mikroskooppinen kvanttiväreily tapahtumahorisontissa sisältää informaation mustan aukon sisällöstä, joten informaatiota ei siis katoa mustan aukon haihtuessa.

Tämä mahdollistaa laajemman fysikaalisen oivalluksen: 3D-informaatio edeltävästä tähdestä voidaan käysin sisällyttää sitä seuraavan mustan aukon 2-ulotteiseen tapahtumahorisonttiin - kuin 3D-kuva kaksiulotteisessa hologrammissa. Susskind ja t' Hooft's laajensivat tätä oivallusta käsittämään maailmankaikkeutta kokonaisuudessaan sillä perusteella, että myös maailmankaikkeudella on horisontti - raja, jonka takaa valolla ei ole ollut aikaa saavuttaa meitä universumin 13,7 miljardin vuoden olemassaolon aikana. Lisäksi monien säieteoreetikkojen, erityisesti Juan Maldacenan Princetonin edistyneen tutkimuksen instituutista, työ on varmentanut, että ajatus on oikeilla jäljillä. Hän osoitti, että fysiikan lait hypoteettisen 5-ulotteisen pringlesin muotoisen maailmankaikkeuden sisällä ovat samat kuin sen neliulotteisella pinnalla.

Hoganin mukaan holograafinen periaate muuttaa suuresti käsitystämme aika-avaruudesta. Teoreettiset fyysikot ovat jo pitkään uskoneet, että kvantti-ilmiöt aiheuttavat aika-avaruuden väreilyn hyvin pienessä mittakaavassa. Näin pienessä mittakaavassa aika-avaruus on rakeista ja muodostuu pienen pienistä yksiköistä, kuin pikseleistä, jotka ovat sata miljardia miljardia kertaa pienempiä kuin protonit. Tämä etäisyys tunnetaan nimellä Planckin pituus, 10^-35 metriä. Planckin pituus on kaukana minkään kuviteltavissa olevan kokeen havainnointikyvystä, joten kukaan ei ole uskaltanut edes kuvitella aika-avaruuden rakeisuuden olevan havaittavissa.

Näin oli, kunnes Hogan huomasi holograafisen periaatteen muuttavan kaiken. Jos aika-avaruus on rakeinen hologrammi, maailmankaikkeuden voidaan ajatella olevan pallo, jonka ulkopinta on Planckin pituuden mittaisten neliöiden peittämä, joista jokainen sisältää hivenen informaatiota. Holograafisen periaatteen mukaan ulkopuolta peittävän informaatiomäärän on oltava sama kuin pallon sisällä olevan informaation määrä.

Pallon muotoisen maailmankaikkeuden tilavuus on kuitenkin paljon suurempi, kuin sen ulkopinnan ala, joten miten tämä voi pitää paikkansa? Hogan ymmärsi, että jotta sisäpuolella voisi olla sama määrä palasia kuin ulkopinnalla, sisäpuolella olevien palasten tulee olla suurempia kuin Planckin pituus. "Tai, toisin sanoen, holograafinen maailmankaikkeus on epätarkka.", sanoo Hogan.

Tämä on hyvä uutinen niille, jotka yrittävät havaita aika-avaruuden pienintä yksikköä. "Vastoin kaikkia oletuksia, tämä tuo mikroskooppisen kvanttirakenteen nykyisten kokeidemme ulottuville", sanoo Hogan. Eli vaikka Planckin pituus on liian pieni kokeelliselle havainnoinnille, tuon rakeisuuden holograafinen "projektio" voisi olla huomattavasti suurempi, 10^-16 metrin luokkaa. "Jos elämme hologrammissa, sen huomaisi mittaamalla rakeisuutta", hän sanoo.

Kun Hogan huomasi tämän ensimmäistä kertaa, hän mietti voisiko mikään koe havaita aika-avaruuden holograafista epätarkkuutta. Tässä GEO600 astuu kehiin.

Painovoima-aaltohavaitsimet, kuten GEO600 ovat oikeastaan äärimmäisen herkkiä mittatikkuja. Idea on se, että jos painovoima-aalto kulkee GEO600:n läpi, se venyttää tilaa toisessa suunnassa ja supistaa sitä toisessa. Mitatakseen tämän, GEO600-tiimi osoittaa yksittäisen lasersäteen puoliksi hopeoituun peiliin, jota kutsutaan säteen jakajaksi. Se jakaa valonsäteen kahdeksi säteeksi, jotka jatkavat laitteen 600-metrisiä ulokkeita pitkin ja heijastuvat takaisin. Palaavat valonsäteet yhdistyvät ja muodostavat interferenssikuvion vaaleine ja tummine alueineen, joilla valonsäteet joko vahvistavat tai heikentävät toisiaan. Mikä tahansa muutos näissä alueissa kertoo ulokkeiden suhteellisen pituuden muuttuneen.

"Idea on siinä, että tämänlaiset kokeet havaitsevat huomattavasti protonin halkaisijaa pienemmät muutokset mittatikkujen pituudessa", sanoo Hogan.

Olisiko näin mahdollista havaita aika-avaruuden holograafinen projektio? Viiden painovoima-aaltohavaitsimen joukosta Hogan valitsi englantilaissaksalaisen GEO600 olevan herkin hänen tutkimuksiaan varten. Hän ennusti, että jos koelaitteen säteenjakajaan vaikuttavat aika-avaruuden kvanttiväreilyt, se näkyisi mittaustuloksissa. "Tämä sattumanvarainen värinä näkyisi kohinana lasersignaalissa", kertoo Hogan.

Kesäkuussa hän lähetti ennusteensa GEO600-tiimille. "Ällistyen, huomasin, että mittalaite havaitsi odottamatonta kohinaa", kertoo Hogan. GEO600:n päätutkija Karsten Danzmann painovoimafysiikan Max Planck-instituutista Potsdamista Saksasta ja myös Hannoverin yliopistosta myöntää, että ylimääräinen kohina 300 ja 1500 hertsin välillä oli vaivannut tutkijoita jo pitkän aikaa. Hän vastasi Hoganille ja lähetti tälle pätkän kohinaa. "Se näytti täsmälleen samalta kuin ennusteeni", kertoo Hogan. "Oli kuin säteen jakajassa olisi ylimääräistä värinää."

Kukaan ei väitä - Hogan mukaanlukien, että GEO600 olisi löytänyt todisteen siitä, että eläisimme hologrammimaailmankaikkeudessa. On aivan liian aikaista sanoa. "Kohinalle voi olla monia syitä", Hogan myöntää.

Painovoima-aaltohavaitsimet ovat äärimmäisen herkkiä, joten niiden käyttäjien täytyy tehdä paljon työtä kohinan poistamiseksi. Huomioon täytyy ottaa ohi kulkevat pilvet, kaukainen liikenne, maan tärinä ja monet muut lähteet, jotka peittäisivät varsinaisen signaalin. "Päivittäinen työ herkkyyden lisäämiseksi poistaa aina hieman ylimääräistä kohinaa", sanoo Danzmann. "Teemme työtä saadaksemme selville kohinan syyn, hankkiudumme siitä eroon ja siirrymme seuraavan kohinan pariin." Tällä hetkellä GEO600:n havaitsemalle kohinalle ei ole selkeää syytä. "Näillä näkymin pitäisin tämänhetkistä tilannetta epämiellyttävänä, mutta en näe syytä huoleen."

Hetken aikaa GEO600-tutkijat ajattelivat Hoganin kiinnostuksen kohteena olevan kohinan johtuvan lämpötilavaihteluista säteenjakajassa. Tutkijoiden mukaan tämä voisi kuitenkin aiheuttaa enimmillään vain kolmanneksen kohinasta.

Danzmannin mukaan useat suunnitellut päivitykset tulevat parantamaan GEO600:n herkkyyttä ja poissulkevat joitakin kohinan lähteitä. "Jos kohina säilyy ennallaan, meidän täytyy miettiä asiaa uudelleen", hän sanoo.

Jos GEO600 on todella havainnut holograafisen kohinan aika-avaruuden kvanttiväreilystä, se on painovoima-aaltojen tutkijoille kuin kaksiteräinen miekka. Toisaalta kohina vaikeuttaa heidän pyrkimystään havaita painovoima-aaltoja, mutta toisaalta kyse on vielä perustavanlaatuisemmasta havainnosta.

Tämänkaltainen tilanne ei olisi uutta fysiikan alalla. Protonien hajoamisesta syntyvää hypoteettista säteilyä mittaamaan rakennetut suuret havaintolaitteet eivät ikinä havainneet kyseistä säteilyä. Sen sijaan niiden avulla havaittiin, että neutriinot voivat muuttua eri tyyppisiksi - epäilemättä paljon tärkeämpi havainto, sillä sen avulla voitiin selittää miksi maailmankaikkeus täyttyi aineella eikä antiaineella.

Olisi ironista, jos laajojen astrofyysisten kohteiden lähettämiä painovoima-aaltoja havaitsemaan rakennetut mittalaitteet tahtomattaan havaitsisivat aika-avaruuden pienen pienen rakeisuuden. "Fyysikkona näen holograafisen kohinan havaitsemisen huomattavasti kiinnostavampana", sanoo Hogan.

Pieni hinta

Huolimatta siitä tosiasiasta, että jos Hogan on oikeassa ja holograafinen kohina pilaa GEO600:n mahdollisuudet havaita painovoima-aaltoja, Danzmann on hyvällä tuulella. "Vaikka se rajoittaisi GEO600:n tarkkuutta tietyllä taajuusalueella, se olisi hinta jonka olemme valmiita maksamaan aika-avaruuden rakeisuuden ensimmäisestä havaitsemisesta", hän sanoo. "Totta kai olisimme tyytyväisiä. Se olisi yksi suurimmista löydöistä pitkään aikaan."

Danzmann on kuitenkin varovainen Hoganin ehdotuksen suhteen ja uskoo, että teoreettista työtä on tehtävä lisää. "Se on kiehtovaa," hän sanoo, "mutta kyseessä ei vielä ole teoria, vaan ennemminkin ajatus." Kuten monet muut, Danzmann myöntää, että on liian aikaista tehdä lopullisia johtopäätöksiä. "Odotetaan niin nähdään", hän sanoo. "Uskomme, että on ainakin vuosi liian aikaista innostua."

Mitä pidempään arvoitus on selvittämättä, sitä vahvemmaksi kasvaa tarve rakentaa pelkästään holograafisen kohinan havainnointiin tarkoitettu laite. John Cramer Washingtonin yliopistosta Seattlesta on samaa mieltä. Oli "onnekas sattuma", että Hoganin ennusteet voitiin yhdistää GEO600:n havaintoihin, hän sanoo. "On selvää, että paljon parempia kokeellisia tutkimuksia voitaisiin käynnistää, jos ne keskittyisivät vain holograafisen kohinan ja siihen liittyvien ilmiöiden mittaamiseen ja tutkimiseen."

Hoganin mukaan yksi mahdollisuus olisi käyttää atomi-inferometriä. Nämä toimivat samalla periaattella kuin laser-käyttöiset havaintolaitteet, mutta käyttävät laserin sijaan äärimmäisen kylmistä atomeista muodostettuja säteitä. Koska atomit voivat toimia aaltoina huomattavasti pienemmällä aallonpituudella kuin valo, atomi-inferometrit ovat huomattavasti pienempiä ja siksi halvempia rakentaa kuin painovoima-aaltoja mittaavat vastineensa.

Mitä sitten tarkoittaisi, jos olisimme havainneet holograafisen kohinan? Cramer rinnastaa sen Bell Labsin antennien New Jerseyssä 1964 havaitsemaan odottamattomaan kohinaan. Kohinan havaittiin olevan kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, alkuräjähdyksen jälkihehkua. "Se ei ainoastaan tuonut Arno Penziakselle ja Robert Wilsonille Nobel-palkinnon, mutta vahvisti alkuräjähdyksen olemassaolon ja synnytti kokonaisen kosmologian haaran", kertoo Cramer.

Hogan on tarkempi. "Unohtakaa Quantum of Solace, olisimme suoraan havainneet ajan suureen", sanoo Hogan. "Se on pienin mahdollinen aikaväli - Planckin pituus jaettuna valon nopeudella.

"Vielä tärkeämpää on, että holograafisen periaatteen todistamisesta olisi suuri apu tutkijoille, jotka pyrkivät yhdistämään kvanttimekaniikan ja Einsteinin painovoimateorian. Nykyään suosituin lähestymistapa kvanttimekaniikkaan on säieteoria, jonka tutkijat toivovat selittävän maailmankaikkeuden perustavanlaatuisimpia tapahtumia. Säieteoria ei kuitenkaan ole ainoa teoria. "Holograafista aika-avaruutta käytetään joissain painovoiman kvanttiteorioissa, joilla on vahva yhteys säieteoriaan", kertoo Cramer. "Seurauksena, jotkin kvanttipainovoimateoriat hylättäisiin ja joitakin vahvistettaisiin."

Hogan myöntää, että jos holograafinen periaate todistetaan, se sulkee pois kaikki ne lähestymistavat kvanttipainovoimaan, jotka eivät sisällä holograafista periaatetta. Niitä teorioita, jotka kyseisen periaatteen sisältävät todistus päinvastoin tukisi - mukaanlukien joitain säieteoriasta johdettuja teorioita ja niinsanotun matriisiteorian. "Loppujen lopuksi olemme saattaneet huomata ensimmäiset viitteet kaiken teoriasta." Sitä suurempia löytöjä on vaikea tehdä.

http://www.newscientist.com/article/mg20126911.300-our-world-may-be-a-giant-hologram.html?full=true