Universul-holograma
La prima vedere, nu există nici cea mai mică îndoială: pentru noi, universul arată tridimensional. Dar una dintre teoriile cele mai fructuoase ale fizicii teoretice, din ultimele două decenii, este contestarea acestei ipoteze. “Principiul holografic” afirmă că o descriere matematică a universului necesită de fapt o dimensiune mai putin decât pare. Ceea ce percepem ca fiind tridimensional poate fi doar imaginea a două procese bidimensionale pe un orizont cosmic imens.
Până în prezent, acest principiu a fost studiat doar în spații exotice cu curbura negativa. Acest lucru este interesant din punct de vedere teoretic, dar astfel de spații sunt destul de diferite de spațiul din propriul nostru univers. Rezultatele obținute de oamenii de stiinta de la TU Wien (Universitatea Tehnică din Viena) sugerează acum că principiul holografic este valabil chiar și într-un spațiu-timp plat.
Principiul holografic
Toata lumea stie cum arata hologramele de la cardurile de credit sau de la bancnote. Ele sunt bidimensionale, dar noua ne apar ca fiind tridimensionale.
Holograma unui card
Universul nostru s-ar putea comporta în mod similar: “In 1997, fizicianul Juan Maldacena a propus ideea că există o corespondență între teoriile gravitaționale în spații anti-de-Sitter, pe de o parte, si teoriile campului cuantic in spatii cu o dimensiune mai puțin, pe de alta parte”, spune Daniel Grumiller (TU Wien).
Daca fenomenele gravitaționale sunt descrise într-o teorie cu trei dimensiuni spațiale, comportamentul particulelor cuantice este calculat într-o teorie cu doar două dimensiuni spațiale – și rezultatele ambelor calcule pot fi transpuse unul pe altul. O astfel de corespondență este destul de surprinzătoare. Este ca și cum ai afla că ecuațiile dintr-un manual de astronomie pot fi folosite si pentru a repara un CD-player. Dar această metodă s-a dovedit a fi de mare succes. Peste zece mii de lucrări științifice despre corespondenta anti-de Sitter/ teoria conforma a campurilor (corespondenta AdS/CFT) numita si dualitatea lui Maldacena au fost publicate până în prezent.
Corespondenta chiar și în spații plate
Pentru fizica teoretică, acest lucru este extrem de important, dar nu pare să aibă prea mult de a face cu propriul nostru univers. Aparent, nu trăim într-un astfel de spațiu anti-de Sitter. Aceste spații au proprietăți destul de ciudate. Ele sunt curbate negativ, astfel ca orice obiect aruncat pe o linie dreaptă se va întoarce în cele din urmă. “Universul nostru, prin contrast, este destul de plat – și, pe distanțe astronomice, are curbură pozitivă”, spune Daniel Grumiller.
Cu toate acestea, Grumiller a suspectat ceva timp faptul că un principiu de corespondență ar putea fi, de asemenea, valabil și pentru universul nostru adevărat. Pentru a testa această ipoteză, teoriile gravitaționale trebuie să fie elaborate, ceea ce nu necesita spații exotice anti-de Sitter, ci trebuie sa te afli într-un spațiu plat. Timp de trei ani, el si echipa sa de la TU Wien au lucrat la aceasta, în colaborare cu Universitatea din Edinburgh, Harvard, IISER Pune, MIT si Universitatea din Kyoto. Acum Grumiller si colegii din India și Japonia au publicat un articol in revista “Physical Review Letters”, confirmând valabilitatea principiului corespondenței într-un univers plat.
Calculat de două ori, același rezultat
“Dacă gravitația cuantică într-un spațiu plat permite o descriere holografică printr-o teorie cuantică standard, atunci trebuie descrise prin mărimi fizice, care pot fi calculate în ambele teorii – iar rezultatele trebuie să se potriveasca”, spune Grumiller. Mai ales o caracteristică esențială a mecanicii cuantice – entanglementul cuantic (inseparabilitatea cuantica) – trebuie să apară în teoria gravitațională.
Atunci când particulele cuantice sunt entanglate (cuplate), ele nu pot fi descrise în mod individual. Ele formează un singur obiect cuantic, chiar dacă acestea sunt situate departe unul de altul. Există o măsură pentru cuantificarea entanglementului într-un sistem cuantic, numita “entropia entanglementului”. Împreună cu Arjun Bagchi, Rudranil Basu și Max Riegler, Daniel Grumiller a reușit să demonstreze că această entropie a entanglementului ia aceeași valoare în gravitația cuantică in spatiu plat și într-o teorie a campului cuantic cu o dimensiune mai putin.
“Acest calcul confirmă ipoteza că principiul holografic poate fi, de asemenea, realizat în spații plate. Este o dovadă pentru validitatea acestei corespondențe în universul nostru”, spune Max Riegler (TU Wien). “Faptul că putem vorbi chiar despre informații cuantice și entropia entanglementului într-o teorie a gravitației este uluitoare în sine și acest lucru ar fi fost greu de imaginat doar cu câțiva ani în urmă. Faptul că acum suntem capabili sa utilizam aceasta ca un instrument pentru a testa validitatea principiului holografic, și că acest test funcționează, este remarcabil”, spune Daniel Grumiller.
Totusi, acest lucru încă nu dovedește faptul că într-adevăr trăim într-o hologramă – dar se pare că există tot mai multe dovezi pentru validitatea principiului corespondenței în propriul nostru univers.
Universul-holograma
Poate ca aceasta a treia abordare este cea corecta. Exista numeroase teorii, dar una dintre ele este deosebit de frapanta: aceasta este teoria holografica pentru care legile fizice sunt diferite in interiorul unui volum si la suprafata sa, dar, cu toate acestea, echivalente prin proiectie holografica. Astfel, Universul nostru ar fi o holograma in care fizica marginii (frontiera cu exteriorul) este fizica cuantica, iar fizica interiorului ar face sa apara, intr-un fel de iluzie, forta gravitationala.
Holograma spatiu-timpului
Reprezentarea tridimensionala (in lipsa posibilitatii de a desena o reprezentare 4-dimensionala), la un moment dat, a unui univers holografic, caracterizat printr-un spațiu-timp cu curbura negativa a carui margine este un spațiu-timp plat. Pe acesta din urma se aplica teoria cuantica numita si teoria campurilor conforme (deoarece spatiul este aici bidimensional), in timp ce in interior se aplica teoria corzilor, incluzand gravitatia. Aici se formeaza si gauri negre, nepericuloase, rezultand din interactiunea particulelor de pe margine.
Pentru o mai mare exactitate, fizicienii teoriei holografice considera un spatiu-timp a carui curbura este negativa. Nu trebuie incercata vizualizarea unui astfel de spațiu, ci mai degraba trebuie vazute reprezentarile spațiilor hiperbolice (bidimensionale) precum seria de Limite ale Cercului (Escher, artistul “hiperbolic” si matematica vizuala (1)) a lui Maurits Escher, pentru a avea o idee despre ceea ce poate fi un spatiu-timp (in patru dimensiuni), cu curbura negativa, numit spatiu-timp anti-de Sitter (William de Sitter a fost primul care a introdus spatiul-timp cu curbura pozitiva) si va veti convinge de faptul ca poate exista acest tip de obiect. Matematic, acesta este, in orice caz, perfect legitim.
Gravitatia apare in dimensiunea suplimentara
Marginea acestui spațiu-timp anti-de Sitter (a se vedea diagrama de mai sus) este un spațiu-timp plat (cu curbura zero). Pe aceasta margine, se foloseste teoria cuantica a particulelor si gravitatia nu exista. Aceasta din urmă, într-un univers holografic (un spațiu-timp anti-de Sitter), este in intregime echivalentă cu o teorie cuantică a gravitației și a materiei, precum teoria corzilor. Interacțiunea particulelor pe margine produce fenomene in interior: corzi, gravitatie, chiar și găuri negre efemere care emit o radiatie termică.
Cu alte cuvinte, gravitația apare în mod natural, într-un univers cu patru dimensiuni spatiale, din fizica particulelor cu trei dimensiuni spațiale (care este fizica noastră cuantică). Ceea ce numim gravitație ar fi, prin urmare, consecința geometriei universului nostru, în cazul în care acesta este un univers holografic. Astfel, gravitația este în cele din urmă doar o iluzie: este necesara, pentru a o descrie, cunoasterea teoriei particulelor și sa se dispuna de cadrul universului-holograma. Unificarea este facuta.
Traim intr-o holograma?
Universul nostru este o hologramă, adică este inzestrat doar cu două dimensiuni spațiale, in loc de trei?
Nimanui nu-i trece prin gand să se îndoiască de faptul că evoluam într-un spațiu cu trei dimensiuni spațiale. Și totuși, teoria avansată la sfârșitul anilor 1990, cunoscuta sub numele de “principiul holografic”, sugerează că, pentru a descrie universul din punct de vedere matematic, o a treia dimensiune spațială nu este, oarecum, “necesara”.
Cu alte cuvinte, potrivit acestei teorii, universul nostru ar fi, de fapt, inzestrat doar cu două dimensiuni spațiale. A treia ar fi un fel de iluzie, constând din evenimente bidimensionale care au loc la orizontul universului nostru în două dimensiuni, exact ca o hologramă. Cam in genul celei pe care o putem vedea pe cardurile noastre bancare, în care mica vinieta holografica, în două dimensiuni, ofera o senzatie de “relief” atunci cand o privim.
Dacă această teorie nu ar fi fost testată până acum decat în configurații foarte speciale (spații cu o curbură denumita negativă), noi cercetări sugerează că această teorie este valabilă în ipoteza unui spațiu-timp plat (adică cu două dimensiuni spațiale, plus o dimensiune temporala). Cu alte cuvinte, această teorie ar fi într-adevăr capabila să descrie universul existent.
Si daca universul ar fi o holograma gigant?
Holograma, această tehnică constand in a da iluzia de tridimensionalitate (3D) prin proiecția imaginilor, ar putea guverna întregul nostru univers. Cu alte cuvinte, am trăi fără sa stim intr-o lume “plata”, in doua dimensiuni (2D)? Tridimensionalitatea ar fi doar o iluzie.
Conform unui studiu recent publicat in revista “Physical Review Letters”, universul nu ar exista în trei dimensiuni, cum ar fi de așteptat a priori, ci doar in două. Tridimensionalitatea ar fi doar o chestiune de percepție.
Conform acestei teorii, suprafața plană a universului ar conține toate elementele necesare pentru ca noi să avem impresia că lumea se prezinta în trei dimensiuni. Exact cum ar face o hologramă. De aici și numele de “principiu holografic”. Totul ar avea loc în teoria corzilor: potrivit acesteia din urmă, gravitatia, care guvernează universul nostru, ar consta din “corzi” subțiri si vibrante numite “gravitoni”.
Aceste corzi ar fi cele care ar da naștere asa-numitelor holograme care dau universului nostru aceasta aparenta 3D. Un concept foarte greu de imaginat, fata de care oamenii de știință sunt încă foarte precauți.
Ideea unui univers în două dimensiuni, un univers holografic într-un fel, nu este nouă. Această teorie a fost introdusă de Gerard Hooft (fizician din Noua-Zeelandă), în 1994.
Cercetarea publicata in Physical Review Letters nu este o teorie nouă, ci un mic pas spre o explicație mai matematica, mai clara a conceptelor vechi.
Inițial, hologramele erau legate de cercetarile asupra teoriei găurilor negre, din care s-a constatat că orizontul în două dimensiuni avea proprietăți care erau de obicei atașate obiectelor în trei dimensiuni.
Care este legătura cu holograma?
În acest caz, termenul holografie înseamnă pur și simplu că informația referitoare la un obiect poate fi codificata într-o teorie care evoluează într-un număr de dimensiuni mai mici decât obiectul în sine. “Principiul holografic” se referă la hologramele care pot fi realizate în viața “reală”, și anume că o informație în două dimensiuni poate fi utilizata pentru a construi iluzia unui obiect tridimensional.
Când ar putea sa fie verificată această teorie?
In general, teoriile exprimate in fizica nu sunt “demonstrate”, ci comparate cu alte cercetări, și acceptate daca oamenii de știință convin sa se puna de acord. În cazul de față, cercetarea prezentata în “Physical Review Letters”, are, în principal, o valoare teoretică, care consta in testarea unei echivalențe holografice presupusa in raport cu teoriile în două sau trei dimensiuni. În realitate, nimeni nu se așteaptă ca aceste teorii descriu o realitate fizică. Ar putea fi posibil să se furnizeze dovada unei astfel de echivalențe, dar până acum nimeni nu a fost în măsură să o faca.
Verificare? Lipsa experimentelor.
Teoriile unificarii suferă, așa cum s-a văzut, de lipsa confirmării experimentale. Cu siguranță, ele nu sunt respinse, dar niciodată nu este bine pentru o teorie științifică sa fie irefutabilă: fizica speculativa ar risca atunci sa alunece în metafizică.
De aceea, cercetatorii lucreaza pentru a concepe dispozitive experimentale care sa poata, în mod direct sau indirect, sau cel putin să decidă între diferitele teorii candidate și, astfel, sa reduca confuzia creată prin proliferarea modelelor explicative.
Supersimetria
O posibila pistă ar putea fi supersimetria. Acest concept, născut nu din observațiile experimentale, ci din considerente matematice, este esențial în tentativele de unificare a relativității generale și a mecanicii cuantice, și deci a forțelor fundamentale. Supersimetria apare în special în teoria corzilor.
Despre ce este vorba? Supersimetria asociază particulelor de spin semi-întreg (spinul este, impreuna cu masa și sarcina electrică, una dintre cele trei caracteristici intrinseci ale unei particule, fiind un număr pozitiv întreg sau semi-întreg) “superparteneri “de spin întreg, și invers. Ea postulează deci existența unor noi particule care fac posibilă unificarea interacțiunilor tari, slabe și electromagnetice.
Prin urmare, dacă se vor putea detecta aceste particule noi, și, astfel, sa se demonstreze supersimetria, se va face un pas important în sprijinul unei teorii a totului. Acest lucru va putea fi posibil incepand din 2007, datorită LHC-ului, noul accelerator de la CERN.
Acceleratoare de particule precum Fermilab, de lângă Chicago, vor putea oferi primele confirmari experimentale indirecte ale unei teorii a totului
Observarea dimensiunilor suplimentare?
Sa se observe dimensiuni suplimentare va fi mai dificil, cu excepția cazului în care acestea ating mărimea unui milimetru, asa cum sugerează unele modele teoretice. Daca, dimpotriva, dimensiunile suplimentare au, precum corzile, dimensiuni de ordinul scarii lui Planck (10 -35 m), tehnologia noastră este astăzi (și pentru mult timp de aici incolo, dacă nu pentru totdeauna), în imposibilitatea de a le accesa.
Așa că totul va depinde de ceea ce vor găsi sau nu acceleratoarele de particule, și chiar și atunci poate nu va fi inca posibil să se faca distinctia intre aceasta teorie si o alta. În orice caz, este nevoie de răbdare.
Constante variabile
Unul dintre principiile fundamentale ale fizicii este urmatorul: marimile fundamentale, precum viteza luminii sau masa electronului, trecand prin constanta lui Newton (constanta gravitațională universală, constanta atracției universale, G), se presupune că nu se modifica in timp, și sunt aceleasi peste tot în spațiu.
În caz contrar, fizica ar avea o putere de predictie mult mai limitata: constante fundamentale care variază puternic în timp, de exemplu cele din principiul echivalenței care este baza relativității lui Einstein. Asta inseamnă că in acest moment invariabilitatea este gravata în piatră?
Măsurarea rapoartelor adimensionale
Ar trebui totuși să se observe variații, ceea ce nu este o sarcină ușoară. Pentru că, dacă te gândești, instrumentele pe care le folosim pentru a măsura constantele fizice sunt ele însele guvernate de fizică, ceea ce ar demonstra că orice detectare a unei schimbări este imposibilă. Desigur, cu excepția cazului in care intereseaza rapoartele “adimensionale”, adică independente de unitatea de masura care se alege.
De exemplu, cazul raportului dintre masa protonului si masa electronului. Acesta este 1836 (și ceva) și este una dintre constantele fundamentale ale naturii. Totusi se întâmplă ca echipele de cercetatori conduse de Patrick Petitjean la Paris, Alexander Ivanchik la Sankt-Petersburg, și Wim Ubachs la Amsterdam, sa colecteze date (în acest caz, liniile de absorbție, în spectrul a doi quasari, ale hidrogenului molecular, prin comparație cu măsurătorile efectuate în laborator), care prezintă o variație a raportului de mase proton / electron.
Prin observarea radiației unui quasar – quasarii sunt o„radio-sursă cvasi-stelară”, printre cele mai vechi obiecte din universul nostru – a putut fi măsurată o variatie infima in timp a raportului masa proton / masa electron.
Quasar
Această variatie este incredibil de mica (0,002% în ultimele 12 miliarde de ani), dar ar putea avea repercusiuni semnificative asupra modelului nostru de Univers. Acest lucru reiese din condițiile inițiale, atat de fin “reglate” incat o modificare chiar infima a uneia dintre ele ar conduce la un rezultat complet diferit.
Variația constantelor și teoria totului
O alta constanta, constanta structurii fine, care caracterizează modul în care lumina și electronii interacționează, a fost obiectul observațiilor astrofizice permitand să se presupună că, de asemenea, aceasta a variat de-a lungul timpului, ceea ce da de gândit oamenilor de știință interesați de “marea unificare”.
De ce? Pentru ca o variație a constantelor fundamentale ale naturii se inscrie armonios în peisajul unei teorii precum cea a corzilor. Să ne amintim că, în acest context, fizica se desfasoara în mai mult de trei dimensiuni ale spațiului: prin urmare, daca toate sau o parte din dimensiunile suplimentare au evoluat în timp, același lucru este valabil si pentru constantele fundamentale…
Și apoi?
Unde vor conduce toate acestea? Unii cercetători nu au așteptat răspunsul pentru a merge chiar mai departe în speculații.
Sa luam un exemplu, dar pentru aceasta sa revenim la teoria corzilor: s-a spus că acest constituent ultim (și încă ipotetic) ar determina realitatea noastră prin diferitele sale moduri de vibrație. Dar nu s-a spus dacă corzile erau închise sau nu.
De fapt, teoria prevede ambele cazuri, iar în al doilea (corzile deschise), se concentrează si pe constrângerile care sunt atașate la extremitati.
O lume a branelor
Teoria denumeste “p-brana” structura de dimensiune p în cadrul căreia este permisa deplasarea extremitatii unei coarde. Dacă coarda nu poate să vibreze decat pe o curbă, aceasta curba va fi o 1-brana (o brana unidimensionala) etc.
În consecință, unii fizicieni au postulat că universul nostru ar putea fi o 3-brana. Extremitatea fiecărei coarde nu se poate deplasa decat în spațiul tridimensional, ceea ce corespunde experienței noastre. Dar corzile vibrează in atatea dimensiuni suplimentare cate sunt necesare, dimensiuni la care niciodata, din cauza “condiției la limită”, impusa de 3-brana, nu vom avea acces.
O coarda la care fiecare extremitate vibreaza pe o 2-brana. Universul nostru poate fi o 3-brana extrem de extinsă.
Și cealalta extremitate? Ar putea, de asemenea, sa se deplaseze pe o 3-brana? S-ar putea ca universul nostru sa aiba, prin urmare, drept vecin un alt univers, o alta 3-brana, situata la o fracțiune de milimetru de noi, la fiecare moment și in fiecare punct, si niciodată, dar absolut niciodată, sa nu o putem atinge sau percepe?
Teoria finală?
În orice caz, dacă este posibil să se descopere o “teorie a totului” realizand unificarea celor patru forțe fundamentale și reconciliind teoria cuantica și relativitatea generala, ce va mai rămâne de descoperit pentru știință? Descoperirea va marca sfârșitul fizicii?
Probabil că nu. Cu toate cunostintele din teoria cuantica, încă nu se înțelege, mai ales, cum a putut sa contribuie aceasta la apariția vieții și a conștiinței. Si, in general, identificarea constituentului indivizibil al materiei și / sau al spațiului nu va permite cu nimic rezolvarea problemelor spinoase și, în egală măsură, fundamentale ale umanitatii.
© CCC
Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului