آیا جهان یک هولوگرام خیلی بزرگ است ؟

نویسنده: مارکوس چاون
ترجمه : نگار نوحه خوان شیشوان
مهدیه نیرومند شیشوان


 

اگر از ناحیه جنوبی شهر هانوفر در آلمان عبور کنید ، قادر به دیدن پروژه "جی ای اُ 600" نخواهید بود . از نمای دور عظمت این پروژه چندان به چشم نمی آید . اماهر چه به آن نزدیک می شویم ، مجموعه ای از ساختمان های موقتی و مکعبی شکل نمایان می شوند که در آن ، دو کانال طولانی و پوشیده با آهن کرکره ای در یک زاویه قائمه هب هم رسیده اند. در قسمت پایین ورقه های آهنی ، یک آشکارساز به طول 600 متر قرار دارد.
در هفت سال گذشته ، این پروژه آلمانی به دنبال موج های خفیف گرانشی در فضاـ زمان بوده است ، موج هایی که در پی اجرام نجومی ابرچگال می آیند ، مانند ستاره های نوترونی و سیاه چاله ها. جی ای اُ 600، تا به حال نتوانسته است امواج گرانشی را آشکارسازی کند، اما ناخواسته به کشف بسیار مهمی در علم فیزیک در نیم قرن حاضر رسیده است .
اعضای گروه جی ای اُ 600 ماده ها در جست و جوی منشا نویزی بودند که آشکارساز عظیم شان را مختل کرده بود؛ اما توضیح قابل قبولی را نتوانستند در این زمینه ارائه دهند. هم زمان با فعالیت های اعضای گروه مذکور ، فیزیکدانی با نام "هوگان" از آزمایشگاه فرمی در ایالات متحده ، نظریه ای را در مورد نویز ارائه کرد. به گفته وی ، جی ای اُ 600 به طور اتفاقی به اساسی ترین حد فضاـ زمان برخورد کرده است، همان نقطه ای که در آن فضا ـ زمان دیگر دارای ویژگی پیشنهادی اینیشتن ، ویژگی پیوستار ملایم و بدون اصطکاک نخواهد بود، بلکه تبدیل به ذره می شود . درست همانند زمانی که اگر روی عکس چاپ شده در روزنامه تمرکز کنیم ، تبدیل به الگویی نقطه نظر خواهد شد.
هوگان می گوید : "این پدیده شبیه این است که جی ای اُ 600 تحت ضربه کوانتوم های میکروسکوپی فضا ـ زمان قرار گرفته است."
اگر این ادعا شما را خیلی شگفت زده نکرده ، بهتر است بدانید هوگان شگفتی بزرگ دیگری را نیز در آستین دارد:" اگر نتیجه پروژه جی ای اُ 600 همان باشد که من حدس می زنم ، در این صورت ما در یک هولوگرام بزرگ کیهانی زندگی می کنیم." این فکر که ما در یک هولوگرام بزرگ زندگی می کنیم شاید معقول به نظر نیاید ، اما این امر یک تعمیم طبیعی از بهترین دانسته ای ما در مورد سیاه چاله هاست و حتی شاید بتوان گفت که ادعایی با یک پایه نظری تقریبا محکم است . جالب است بدانم که این نتیجه گیری ، برای فیزیکدانان درگیر با نظریه های مربوط به سازوکار بنیادین عالم نیز بسیار مفید بوده است .
هولوگرام هایی که شما روی کارت های اعتباری و اسکناس می بینید ، روی پوسته پلاستیکی دو بعدی چاپ شده اند و وقتی نور تابیده شده به آنها بازگردانده می شود، تصویری سه بعدی را خلق می کند.در دهه 1990 دو فیزیکدان "لئونارد ساسکیند" و "جرارد تهوفت" (برنده جایزه نوبل) اظهار داشتند که می توان اصل هولوگرافی را به کل جهان اعمال کرد. شاید تجربه های روزانه ما خودشان تجسم هولوگرافیک از فرایندهای فیزیکی باشند که روی یک سطح مبهم دو بعدی اتفاق می افتند.
"اصل هولوگرافی" درک ما را از مسائل به چالش می کشاند . سخت است باور کردن این موضوع که از خواب بیدار شدن ، مسواک زدن و حتی مطالعه خود این مقاله ، به خاطر اتفاقاتی است که در مرز عالم به وقوع می پیوندند. هیچکس نمی داند زندگی در یک هولوگرام باری ما چه معنایی خواهد داشت . با این وجود ، نظریه پردازان دلایل خوبی را برای اثبات درستی بسیاری از جنبه های اصل هولوگرافی در دست دارند .
ساسکیند و تهوفت تحت تاثیر تلاش های اولیه و نوین "یاکوب بکنشتاین" و استفن هاوکینگ در مورد سیاه چاله ها، نظریه فوق را ارائه کردند.
در نیمه دهه 1970هاوکینگ نشان داد که سیاه چاله ها در حقیقت کاملا "سیاه" نیستند، در عوض به آرامی پرتو ساطع می کنند که این عمل باعث بخار شدن و سرانجام ناپدید شدن آنها می شود . این خود یک معماست ، چرا که پرتو هاوکینگ هیچ گونه اطلاعاتی در مورد داخل سیاه چاله نمی دهد. با از بین رفتن سیاه چاله ، تمامی اطلاعات مربوط به ستاره ای که متلاشی شدن آن به ایجاد سیاه چاله انجامیده بود نیز از میان خواهد رفت، که این مسئله در تناقض با اصل مشهود "زوال ناپذیری اطلاعات " است . این پدیده به عنوان "تناقض اطلاعات سیاه چاله ها" شناخته شده است .
تلاش های بکنشتاین سر نخ مهمی در حل این تناقض به شمار می آید . او کشف کرد که کهولت یک سیاه چاله (نشان دهنده میزان اطلاعات درونی سیاه چاله ) با مساحت سطح افق رویداد متناسب است . سطح فرضی افق رویداد ، سیاه چاله را پنهان می کند و مکان غیر قابل بازگشت برای ماده و نورگیر افتاده در آن را مشخص می کند از آن پس ، نظریه پردازان نشان داده اند که حرکات موجی کوانتومی میکروسکوپی (ریزمقیاس) در افق رویداد می تواند اطلاعات داخل سیاه چاله را رمز گشایی کند، بنابراین می توان گفت که اطلاعات ناشناخته سیاه چاله را قبل از ناپدید شدن آن ، در دست خواهیم داشت .
اساسا ، این یک درون بینی عمیق فیزیکی است . می توان اطلاعات سه بعدی پیش ستاره ای را با استفاده از اطلاعات سیاه چاله ـ که با مرگ این ستاره تشکیل خواهد شد ـ در افق دو بعدی آن رمز گشایی کرد ، بی شباهت به رمز گشایی تصور سه بعدی شیئی در یک هولوگرام دو بعدی نیست . ساسکیند و تهوفت این درون بینی را به کل جهان تعمیم دادند ، اساسا یک درون بینی عمیق فیزیکی است . می توان اطلاعات سه بعدی پیش ستاره ای را با استفاده از اطلاعات سیاه چاله ـ که با مرگ این ستاره تشکیل خواهد شدـ در افق دو بعدی آن رمز گشایی کرد ، که بی شباهت به رمزگشایی تصویر سه بعدی شیئی در یک هولوگرام دو بعدی نیست . ساسکیند و تهوفت این درون بینی را به کل جهان تعمیم دادند ، بر این اساس که کیهان نیز دارای مرز است ؛ مرزی که نور از آن زودتر از 13/7 میلیارد سال به ما نخواهد رسید. علاوه بر این، مطالعات به عمل آمده از سوی گروهی از نظریه پردازان ، به ویژه "خوان مالداسینا" از موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون ، موید درستی این ایده است . او نشان داد که فیزیک جهان فرضی با 5 بعد ، مانند همان فیزیکی است که در مرز 4 بعدی اتفاق می افتد.
به گفته هوگان ، اصل هولوگرافی اساسا تصویر ما را از فضاـ زمان تغییر می دهد . فیزیکدانان نظری باور داشته اند که تاثیرات کوانتومی باعث خواهند شد تا فضا ـ زمان به تندی تا کوچک ترین ذره تکان بخورد.در این بزرگنمایی ، بافت و اساس فضاـ زمان ذره ای ، و نهایتا مانند واحدهای ریز شبیه پیکسل ، اما 100 میلیارد میلیارد بار کوچک تر از یک پروتون خواهد شد . این مقیاس با عنوان "طوال پلانک" (که فقط 10-35 متر است) شناخته می شود . طول پلانک کوچک تر از آن است که بتوان با فناوری امروز آن را مورد آزمایش عملی قرار داد ، بنابراین حتی نمی توان دیدن ذرات فضا ـ زمان را تصور کرد.
البته دیدگاه فوق فقط تا زمانی مورد تایید بود که هوگان پی برد اصل هولوگرافی همه چیز را تغییر می دهند . اگر فضا ـ زمان یک هولوگرام ذره ای باشد، شما می توانید جهان را مانند کره ای در نظر بگیرید که سطح خارجی آن پوشیده از مربع هایی به اندازه طول پلانک است و هر کدام حاوی یک بیت از اطلاعات کل هستند. اصل هولوگرافی می گوید مقادیر اطلاعاتی که سطح بیرونی را پوشش می دهند ، باید با تعداد بیت هایی که داخل حجم جهان هستند ، متناسب باشند.
از آنجایی که حجم جهان کره ای شکل بسیار بیشتر از مساحت سطح خارجی اش است ، چگونه این تناسب می تواند صحیح باشد؟ هوگان دریافت که برای داشتن تعداد بیت های مساوی در سطح و داخل جهان ، جهان داخل باید از ذراتی بزرگ تر از اندازه طول پلانک تشکیل شده باشد ، که این موضوع ، نشان دهنده مبهم بودن جهان هولوگرافی است .
این خبری خوب برای هر کسی است که قصد کاوش در کوچک ترین واحد فضاـ زمان را دارد . هوگان می گوید : "برخلاف تمام انتظارات ، ساختار میکروسکوپی کوانتومی در طول آزمایش های موجود به چشم می آید." چون بررسی طول پلانک در آزمایش ها ممکن نیست ، پس تجسم هولوگرافی از ذرات می تواند بسیار بزرگ باشد ، حدود 10-16 متر. او می گوید :" اگر شما داخل یک هولوگرام زندگی می کردید ، می توانستید اندازه دقیق را به وسیله اندازه گرفتن لکه بفهمید."
وقتی هوگان برای اول بار به این موضوع پی برد ، این سوال برایش پیش آمد که آیا می توان لکه های هولوگرافی فضا ـ زمان را آشکار کرد . این درست زمانی است که جی ای اُ 600 به کمک هوگان می آید.
آشکار سازهای امواج گرانشی مانند جی ای اُ 600 ، اساسا اندازه گیری های بسیار حساسی هستند. باور بر این است که اگر موج گرانشی در طول جی ای اُ 600 عبور کند، متناوبا فضا را در یک جهان منبسط کرده و در جهت گیری دیگر می فشارد. از این رو ، اعضای گروه جی ای اُ 600 یک تک لیزر را در طول آینه نیمه نقره اندود شده به نام شکاف دهنده باریکه ، برانگیختند . شکاف دهنده پرتو نور را به دو باریکه تقسیم می کند که از بازوی 600 متری عمودی دستگاه پایین رفته و بازتاب داده می شوند. باریکه های نور بازتاب شده ، در شکاف دهنده باریکه ادغام می شوند و در نقطه ای که امواج نور همدیگر را حذف یا تقویت می کنند، یک الگوی تداخلی از نواحی روشن و تاریک را ایجاد می کنند. هر گونه تغییر موقعیت این نواحی ، بیانگر تغییرات فاصله های نسبی بازوهاست.
هوگان می گوید: "مسئله کلیدی این است که چنین آزمایش هایی ، به تغییراتی در حد کوچک تر از قطر پروتون در طول اندازه گیرها نیز حساس اند. پس آیا آنها قادر به نمایان ساختن تجسمی از ذرات فضا‌ـ زمان هستند؟" از پنج آشکارساز امواج گرانشی در دنیا ، هوگان دریافت که آزمایش جی ای اُ 600 نسبت به آن چیزی که ما در ذهن داریم ، بهترین خواهد بود.
او پیش بینی کرد که اگر شکافنده باریکه آزمایش در اثر تکان کوانتوم های فضا ـ زمان دچار تشنج شود ، این تغییر در اندازه گیری ها نمایان خواهد شد . وی می گوید :" این حرکت نامنظم غیر منتظره باعث ایجاد نویز در سیگنال نور لیزر خواهد شد." وی می گوید :"به طور باورنکردنی ، متوجه شدم که نویزهای پیش بینی نشده ای ، آزمایش جی ای اُ 600 را مختل می کند." مدیر پروژه جی ای اُ 600 ،"کارستن دانزمن،" اقرار می کند که اختلال اضافی ، با فرکانس 300-1500 هرتز، مدت طولانی است که گروه را آزار می دهد . او برای هوگان نمونه ای از اختلال را فرستاد. هوگان می گوید :"دقیقا شبیه پیشگویی من بود! طوری بود که گویی شکافنده باریکه ، حرکات نامنظم اضافی داشت." به طور باورنکردنی ، آزمایش ، نویز غیرمنتظره را افزایش می داد؛ گویی تشنج ها و تکان های کوانتومی باعث حرکات نامنظم اضافی می شدند. هیچ کس حتی هوگان تا به حال ادعایی نکرده اند که جی ای اُ 600 مدرکی دال بر زندگی ما در یک جهان هولوگرافی یافته باشد. اظهار مطلبی در این مورد هنوز خیلی زود است . هوگان اقرار می کند که هنوز هم باید یک پاسخ معقول تر وجود داشته باشد.
آشکارسازهای امواج گرانشی بسیار حساس اند، بنابراین افرادی که قصد کار با آنها را دارند بایستی نسبت به افرادی که قصد از بین بردن این نویز را دارند ، تلاش بیشتری بکنند. آنها مجبورند گذر ابرها ، ترافیک دور است و بسیاری از منابعی را که می توانند مانعی در جهت تشخیص سیگنال واقعی باشند ، در نظر بگیرند. دانزمن می گوید :"کار روزانه برای پیشرفت حساسیت این آزمایش ها ، همیشه با ایجاد نویز اضافی همراه است . برای تشخیص علت ، رفع آن ، و از سر راه برداشتن منبع تولید کننده نویز اضافی بعدی ، تلاش می کنیم. در حال حاضر هیچ گونه منبع واضحی برای نویز جی ای اُ 600 وجود ندارد . از این رو با این که موقعیت فعلی چندان خوشایند نیست ، اما چندان هم جای نگرانی نیست."
گروه جی ای اُ 600 فکر کردند نویزی که هوگان به آن علاقه مند است ، می تواند به وسیله ارتعاشات دمایی در شکاف دهنده باریکه ایجاد شده باشد. اما ، اعضای گروه بعد از کار کردن روی موضوع ،تخمین زدند که در این صورت حداکثر یک سوم این نویز می توانست ایجاد شود.
دانزمن معتقد است برای تقویت حساسیت جی ای اُ 600 و حذف بعضی از موانعی که باعث افزایش نویزند ، باید برنامه هایی ترتیب داد. او می گوید : "اگر بعد از این آزمایش ها، نویز همچنان باقی ماند ، باید دوباره در این مورد فکر کنیم."
اگر جی ای اُ 600 واقعا علت نویزها را تکان های کوانتومی فضا ـ زمان می داند ، در این صورت این نویز ، یا تلاش محققان را برای کشف امواج گرانشی از بین خواهد برد و یا می تواند یک کشف اساسی دیگری را پیش رو بگذارد . این چنین مسائلی در فیزک بی مانند نیستند. آشکارسازهای عظیم برای شناسایی گونه ای فرض از واپاشی پروتون ساخته شده اند ، واپاشی ای که به طور معمول اتفاق نمی افتد . در عوض ، آنها کشف کردند که نوترون ها می توانند از نوعی به نوع دیگر تغییر کنند؛ چون این موضوع بسیار مهم می توانست به ما نشان دهد که جهان چرا با ماده پر شده نه پاد ماده . جالب است که وسیله ای برای کشف چیزی به بزرگی منشا اختر فیزیکی امواج گرانشی ساخته شده باشد ، اما چیزی به کوچکی ذرات خرد فضاـ زمان راکشف کند!
بهای ناچیز
با این که حق با هوگان است و نویز هولوگرافی توانایی جی ای اُ 600 را برای کشف امواج گرانشی محدود خواهد کرد، دانزمن خوش بین است . وی می گوید : "حتی اگر نویز در بعضی بردهای فرکانسی حساسیت جی ای اُ 600 را محدود کند، در عوض اولین آشکارسازی ذرات فضاـ زمان ، بهای کوچکی خواهد بود که ما از پرداختن آن شاد هستیم. این یکی از چشمگیرترین کشف ها در زمینه فیزیک خواهد بود."
هنوز هم دانزمن در مورد اظهارات هوگان محتاط است و معتقد است باید بر روی نظریه های بسیاری کار شود . وی می گوید :"[جهان هولوگرافی] فریبنده است . اما ، این در واقع یک نظریه نیست ، بلکه فقط یک ایده است." دانزمن ، مانند محققان دیگر ، ادعای قطعی در این مورد را خیلی زود می داند. وی می گوید : "بیائید منتظر بمانیم و ببینیم."
تا زمانی که این معما حل نشده است ، باید انگیزه قوی تری برای ساخت ابزارهای مختص کاوش نویز هولوگرافی به وجود آید." جان کرامر" از دانشگاه واشنگتن نیز با این مسئله موافق است . ارتباط پیش گویی هوگان با آزمایش های جی ای اُ 600 یک اتفاق تصادفی بود. او می گوید :"واضح است تمرکز خاص روی اندازه گیری و مشخص کردن نویز هولوگرافی و پدیده های مربوط به آن ، باعث بهبود وضعیت تحقیقات آزمایشگاهی می شود."
به گفته هوگان ، استفاده از یک وسیله به نام تداخل سنج اتمی راه حل دیگری است . این ابزار که از همان اصول اشکارسازهای لیزری استفاده می کند، به جای نور لیزر از باریکه هایی از جنس اتم های فراسرد استفاده می کند. چون اتم ها می توانند مانند امواجی با طول موج های بسیار کوچک تر از نور رفتار کنند، به طور چشمگیری از همتای آشکار ساز امواج گرانشی کوچک تر و ارزان تر هستند.
اما کشف نویز هولوگرافیک چه اهمیتی خواهد داشت؟ کرامر این را به کشف نویز پیش بینی نشده به وسیله یک آنتن در آزمایشگاه "بل" در نیوجرسی در سال 1964 تشبیه می کند. آن نویز یک ریز موج کیهانی از آب در آمد، که بقایای به جامانده از انفجار بزرگ (مه بانگ) بود. وی می گوید : " این نویز ، نه تنها جایزه نبول را بری آرنوپنسایز و رابرت ویلسون به ارمغان آورد ، بلکه وقوع مه بانگ را تایید کرد و بسیاری از معماهای کیهان شناسی را به طور کامل توضیح داد."
مهم تر آن که ، تایید اصل هولوگرافی برای محققانی که در پی تلفیق مکانیک کوانتومی و نظریه گرانشی اینشتین هستنند، کمک بسیار بزرگی خواهد بود. امروزه متداول ترین رویکرد در این زمینه ، نظریه ریسمان است . محققان امیدوارند که این نظریه بتواند در پایه ای ترین سطح ، اتفاقات جهان را توجیه کنند. اما کاربرد آن صرفا محدود به این مسئله نیست.
هوگان معتقد است تایید اصل هولوگرافی، تمام رویکردها در مورد گرانش کوانتومی که از این اصل نشات نگرفته اند را رد می کند . در عوض ، برای دیدگاه هایی که حاوی اصل هولوگرافی هستند، مانند نظریه ریسمان و نظریه ماتریس ، نقطه قوت خواهد بود . و سرانجام شاید نخستین سرنخ ها را در مورد این که فضاـ زمان چگونه از دلِ نظریه کوانتومی پدیدار می شود ، به دست آوریم.
منابع:
دانشمند شماره 566

نیوساینتیست ، شماره2691

منبع:   rasekhoon.net