Τρίτη, 24 Απριλίου 2012

Είναι το σύμπαν ψηφιακό;


Ένα νέο πείραμα που θα γίνει έξω από το Σικάγο θα προσπαθήσει να μετρήσει τις στενές σχέσεις μεταξύ της πληροφορίας, της ύλης και του χωροχρόνου. Αν δουλέψει, θα μπορούσε να ξαναγράψει τους κανόνες για τη φυσική του 21ου αιώνα.
Ο Craig Hogan ένας αστροφυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και διευθυντής του Κέντρου Σωματιδιακής Αστροφυσικής στο Fermilab, πιστεύει ότι αν μπορούσαμε να εισχωρήσουμε στις πιο μικρές υποδιαιρέσεις του χώρου και του χρόνου, θα βρίσκαμε ένα σύμπαν γεμάτο με μία εγγενή ταραχή, ένα πολύβουο βουητό από παράσιτα. Αυτό το βουητό δεν έρχεται από τα φευγαλέα σωματίδια που έρχονται και φεύγουν αυτοστιγμή στον χώρο ή άλλα είδη του κβαντικού αφρού, που οι φυσικοί πιστεύουν ότι υπάρχουν.
Μάλλον είναι ο θόρυβος Hogan που προκύπτει εάν ο χώρος δεν ήταν, όπως υποθέτουμε εδώ και καιρό, ομαλός και συνεχής, αλλά ένα διαφανές σκηνικό για το χορό των πεδίων και των σωματιδίων. Ο θόρυβος Hogan απορρέει εάν το διάστημα είναι κατασκευασμένα από bits.
Στις μικρότερες κλίμακες του χώρου  τόσο η γενική σχετικότητα όσο και η κβαντομηχανική καταρρέουν.  Ωστόσο, αυτή η κλίμακα φαίνεται να είναι ειδική και για ένα άλλο λόγο: τυχαίνει να είναι στενά συνδεδεμένη με την επιστήμη της πληροφορίας – τα 0 και 1 του σύμπαντος. Οι φυσικοί, κατά τη διάρκεια των τελευταίων δύο δεκαετιών, αποκάλυψαν πώς το σύμπαν αποθηκεύει την πληροφορία και ακόμα ότι η πληροφορία κι όχι η ύλη και η ενέργεια, αποτελεί την πιο βασική μονάδα του κόσμου.
Αν πάρουμε αυτή την άποψη στα σοβαρά, λέει ο Hogan, πρέπει να είμαστε σε θέση να μετρήσουμε τον ψηφιακό θόρυβο του χώρου. Έτσι, ο ίδιος έχει επινοήσει ένα πείραμα για να εξερευνήσει τις πολύβουες πιο θεμελιώδεις κλίμακες του σύμπαντος. Είναι όμως και ο πρώτος που λέει ότι μπορεί και να μην δουλέψει, ότι μπορεί να μην δει τίποτα.

Πείραμα και έλεγχος της θεωρίας

Η προσπάθειά του είναι να εκτελέσει ένα πείραμα με την πραγματική έννοια – ένα δοκιμαστικό εξάρτημα στο
το άγνωστο. "Δεν μπορείς να πάρεις την καλά δοκιμασμένη φυσική του χωροχρόνου και την καλά δοκιμασμένη φυσική της κβαντικής μηχανικής και να υπολογίσεις τι θα δούμε εκεί μέσα", λέει ο Hogan. «Αλλά για μένα, αυτός είναι ο λόγος για να κάνω το πείραμα – να προχωρήσω και να δω τι γίνεται. "
Στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές του 1970 αναπτύχθηκε το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Στις δεκαετίες που μεσολάβησαν από τότε, τα πειράματα έχουν δοκιμαστεί σε βάθος και με ακρίβεια. «Το μοτίβο ήταν ότι βγάζει η επιστημονική κοινότητα ένα μοντέλο, μια θεωρία,  – για παράδειγμα το μποζόνιο Χιγκς – και έρχεται το πείραμα αργότερα για να το αποκλείσει ή όχι," συνεχίζει ο Hogan.
Αυτός ο συντηρητισμός υπάρχει γιατί τα πειράματα στη σωματιδιακή φυσική μπορεί να είναι εξωφρενικά ακριβά. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στοίχισε πάνω από 5 δισεκατομμύρια και αυτή τη στιγμή συμμετέχουν στα πειράματα του χιλιάδες φυσικοί από όλο τον κόσμο. Είναι η πιο εξελιγμένη, η πιο σύνθετη και η πιο ακριβή μηχανή που κατασκευάστηκε ποτέ. Οι επιστήμονες τώρα αναρωτιούνται αν την επόμενη γενιά των επιταχυντών που θα δουλεύουν σε υψηλότερες ενέργειες, σε μεγαλύτερα μεγέθη και με μεγαλύτερες δαπάνες, θα δεχθεί η ανθρωπότητα να την πληρώσει.
Ένα τυπικό πείραμα στον LHC μπορεί να περιλαμβάνει πάνω από 3.000 ερευνητές. Στο Fermilab, ο Hogan έχει συγκεντρώσει μια σφικτή ομάδα από 20 φυσικούς, αριθμός ο οποίος περιλαμβάνει ανώτερους συμβούλους στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν που δεν συμμετέχουν στις εργασίες ημέρα με την ημέρα.
Το διάστημα δεν μπορεί να είναι ομαλό και συνεχές. Ίσως είναι ψηφιακό που να απαρτίζεται από μικροσκοπικά κομμάτια (bits). Οι φυσικοί έχουν καταλάβει ότι αυτά τα bits είναι πάρα πολύ μικρά για να μετρηθούν με την τρέχουσα τεχνολογία.
Ωστόσο, ο Hogan πιστεύει ότι έχει επινοήσει έναν τρόπο για την ανίχνευση της ψηφιακής αυτής δομής του χώρου. Το Ολόμετρο του Hogan – επί του παρόντος είναι στο πλαίσιο της κατασκευής – θα προσπαθήσει να μετρήσει την κοκκώδη φύση του. Το πείραμα είναι ένα από τα πρώτα που θα ερευνήσουν το κατά πόσον το σύμπαν προκύπτει από πληροφορίες, συγκεκριμένα, πληροφορίες που αποτυπώνονται σε φύλλα δύο  διαστάσεων. Εάν επιτύχει, το πείραμα θα αλλάξουν τα υπάρχοντα θεμέλια της φυσικής του χώρου και του χρόνου,  δίνοντας το έναυσμα για μια νέα φυσική.

Το Ολόμετρο

Η συσκευή αποτελείται από δύο συμβολόμετρα που ενισχύουν πολύ μικρές αλλαγές στην απόσταση. Η ανίχνευση μιας μικρής διαταραχής θα έδειχνε ότι ο χωροχρόνος είναι ψηφιακός και αποτελείται 
από διακριτά πακέτα (κάτω εικόνα).
 Καθένα από τα δύο συμβολόμετρα στέλνει μια ακτίνα λέιζερ στους κάθετους βραχίονες που έχουν κάτοπτρα στα άκρα. Εάν οι βραχίονες έχουν ακριβώς το ίδιο μήκος, τότε τα φωτεινά κύματα από την
ακτίνα λέιζερ θα ευθυγραμμιστούν τέλεια και θα δημιουργήσουν ένα φωτεινό σήμα (α). Αν ο ένας βραχίονας κινηθεί κατά ένα κλάσμα του μήκους κύματος μόνο, τα φωτεινά κύματα θα συμβάλουν αποσβεστικά, οδηγώντας έτσι στην εξασθένιση του σήματος εξόδου (β). Δύο συμβολόμετρα στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο για να εξασφαλιστεί ότι το φωτεινό κύμα εξόδου θα παραμείνει σύμφωνο.
Ο αστροφυσικός σωματιδίων Craig Hogan προσπαθεί να χρησιμοποιήσει μονάδες Πλανκ για να δοκιμάσει αυτή την ιδέα. Το πρόβλημα με αυτό είναι ότι οι μονάδες αυτές είναι τόσο άπειρα μικρές που δεν μπορούν να παρατηρηθούν πειραματικά.
Οι μονάδες Πλανκ σχετίζονται με τον χώρο, το χρόνο, τη μάζα και άλλες ιδιότητες, αλλά είναι εξαιρετικά μικρές. Για παράδειγμα, η μονάδα Planck του μήκους είναι μόλις 10 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη από το πρωτόνιο.
Όμως ο Hogan πιστεύει ότι αυτό το φαινομενικά δύσκολο εμπόδιο μπορεί να αντιμετωπιστεί με την χρήση δύο συγκεκριμένων ρολογιών, που ονομάζονται ολόμετρα, καθένα από τα οποία αποτελείται από δύο κάθετα συμβολόμετρα λέιζερ, μήκους 4 μέτρων.
Αυτά τα όργανα είναι τόσο ακριβείας, ώστε να μπορούν στην πράξη να αναζητήσουν για την πιξελοποίηση της ίδιας της δομής του χώρου και του χρόνου, που διατηρεί ενωμένο το Σύμπαν.
«Αυτό που ψάχνουμε είναι όταν το λέιζερ δεν συντονίζονται. Προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε τη μικρότερη μονάδα στο σύμπαν. Είναι ένα είδος ντεμοντέ πείραμα φυσικής, όπου δεν ξέρετε ποιό θα είναι το αποτέλεσμα», προσθέτει. Η βάση του πειράματος είναι να δούμε αν οι ακτίνες λέιζερ που αποστέλλονται από την ίδια πηγή φθάνουν στον ίδιο στόχο, ταυτόχρονα.»», εξηγεί ο Hogan.
Ο Hogan προσθέτει ότι τα δύο ολόμετρα είναι τώρα υπό κατασκευή στο Fermilab, και θα πρέπει να είναι έτοιμα έως την επόμενη χρονιά.
Ένα ενδιαφέρον πράγμα που πρέπει να θυμόμαστε σχετικά με αυτό το πείραμα είναι ότι οι μονάδες Planck θα πρέπει να γίνουν σαφείς κατά τα πρώτα λεπτά λειτουργίας του οργάνου, αφού ληφθούν υπ’ όψιν οι περιβαλλοντικές επιδράσεις.

Η Ολογραφική Αρχή

Σύμφωνα με τον Hogan το κυριολεκτικά απόλυτο όριο της μικροκλίμακας (το μήκος Planck) μπορεί να μεγεθυνθεί επειδή απλά όλοι είμαστε ολογράμματα. Η βασική ιδέα του είναι ότι όλες οι διαστάσεις μπορούν να αναπαρασταθούν από μια «επιφάνεια» με μια λιγότερη διάσταση. 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.
Ορισμένοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι αυτά που γίνονται αντιληπτά με τις αισθήσεις μας, στον λεγόμενο ορατό κόσμο, είναι προβολές ενός καλειδοσκοπίου, το οποίο βρίσκεται στα όρια του Σύμπαντος, σε μια οριακή επιφάνεια αυτού που εμείς αποκαλούμε Σύμπαν. Υποστηρίζουν, επίσης, ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι ένα ρευστό που μεταφέρει πληροφορίες.
Η ενοποιητική θεωρία ή θεωρία των πάντων, η οποία προσπαθεί να συσχετίσει τις θεμελιώδεις δυνάμεις της βαρύτητας, της κβαντικής θεωρίας και της θερμοδυναμικής οδηγεί σε ένα Σύμπαν που λέγεται "Ολογραφικό".
Τι σημαίνει όμως αυτό για εμάς; Στην καθημερινότητα μας όπως βλέπουμε αυτή η «ολογραφική» πραγματικότητα δε μας αφήνει να ταξιδέψουμε σε όλο τον κόσμο πετώντας, ούτε σαν άλλοι σούπερμαν να πολεμήσουμε τη διαφθορά και το έγκλημα.
Ωστόσο είτε η πραγματικότητα είναι όπως τη βλέπουμε είτε αποτελεί αναπαράσταση αλληλεπιδράσεων σε μια επιφάνεια στην άκρη του σύμπαντος, είμαστε ακόμα θνητοί.
Από την άλλη πάλι, αυτή η θεωρία θα προκαλέσει θύελλα συναρπαστικών ερωτημάτων έτσι ώστε μάλλον δε θα χρειαστεί να δούμε ποτέ ξανά ταινίες επιστημονικής φαντασίας.
Παρότι βρισκόμαστε ακόμα στην αρχή μιας πολύ ενδιαφέρουσας θεωρίας, πρόκειται για την πιο προκλητική θεωρία μεταφυσικής που έχουμε συναντήσει ποτέ. Είμαστε πραγματικοί ή είμαστε απλά κβαντικές αλληλεπιδράσεις στις άκρες του σύμπαντος; Μήπως αυτή είναι η πραγματικότητα;

Η διαταραχή του χώρου

Εάν το διάστημα είναι αφρώδες στη μικρότερες κλίμακες, τότε το συμβολόμετρο θα καταγράψει μια μικρή αλλαγή στη φωτεινότητα της δέσμης λέιζερ. Με την πάροδο του χρόνου αυτή η μεταβολή δημιουργεί ένα  σήμα που φαίνεται να είναι σαν θόρυβος. Εάν το δεύτερο συμβολόμετρο ανιχνεύσει θόρυβο με το ίδιο ακριβώς μοτίβο, τότε ο πειραματιστής Hogan θα καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η αιτία του θορύβου οφείλεται στην διαταραχή του χώρου.
Το πείραμα είναι πολύ φθηνό, γιατί είναι βασικά μια νέα έκδοση του διάσημου πειράματος, που έγινε στα τέλη του 19ο αιώνα  για να βρει αν υπάρχει αιθέρας. Από τις αρχές του 19ου αιώνα οι φυσικοί γνώριζαν ότι το φως συμπεριφέρεται ως κύμα. Και γνώριζαν ότι τα κύματα για να διαδοθούν απαιτούν πάντα ένα μέσον διάδοσης, ένα φυσικό υπόστρωμα μέσα στο οποίο πρέπει να ταξιδεύουν τα κύματα.
Επειδή το φως είναι κύμα οι φυσικοί σκέφτηκαν λοιπόν ότι το διάστημα θα πρέπει να είναι γεμάτο με μία αόρατη ουσία που διαπερνούσε όλο το σύμπαν. Και ονόμασαν αυτό το κρυφό μέσο, αιθέρα.
Το 1887 οι Αμερικανοί Albert Michelson και Edward Morley, σχεδίασαν ένα πείραμα που θα αναζητούσε αυτόν τον αιθέρα. Δημιούργησαν ένα συμβολόμετρο -  μια συσκευή με δύο σκέλη σε σχήμα L για την ανίχνευση οποιασδήποτε αλλαγής στο μοτίβο της συμβολής του φωτός που ταξίδευε κατά μήκος και των δύο βραχιόνων, κι αφού αναπηδούσαν οι δέσμες του φωτός πάνω στα κάτοπτρα που βρίσκονταν στα άκρα των βραχιόνων, συνδυάζονταν μαζί οι δύο δέσμες δίνοντας έτσι φως από συμβολή. Εάν το χρονικό διάστημα που χρειάστηκε το φως για να ταξιδεύσει κατά μήκος των δύο βραχιόνων αλλάξει ακόμα και κατά ένα κλάσμα του μικροδευτερόλεπτου, τότε το μοτίβο της συμβολής θα γινόταν πιο σκούρο.
Οι Michelson και Morley με το συμβολόμετρο τους δεν βρήκαν καμιά αλλαγή στο μοτίβο, όποιο προσανατολισμό κι αν είχε το συμβολόμετρο τους. Το πείραμα διεξαγόταν για μήνες μήπως κατάφερναν να δουν καμιά αλλαγή στο μοτίβο της συμβολής καθώς η γη κινείται γύρω από τον ήλιο. Ανάλογα με το πως άλλαζε κατεύθυνση η Γη κατά το ταξίδι της  γύρω από τον Ήλιο ο σταθερός αιθέρας θα έπρεπε να είχε αλλάξει τον χρόνο που χρειάστηκε το φως να επιστρέψει προς τα πίσω, αφού αναπηδήσει πάνω στα κάτοπτρα.
Φυσικά, όσα πειράματα κι αν έγιναν από τότε δεν βρήκαν καμιά αλλαγή στον χρόνο που ήθελε το φως για να ταξιδέψει στους βραχίονες, κι έτσι άρχισε η κατάρρευση μιας κοσμολογίας που κρατούσε εκατοντάδες χρόνια. Η εξαφάνιση του αιθέρα επέτρεψε να ανθίσουν νέες επαναστατικές ιδέες, ότι το φως ταξιδεύει με την ίδια ταχύτητα ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα κινείται η πηγή του φωτός.
Δεκαετίες αργότερα ο Albert Einstein κατάλαβε τι σήμαινε το αποτέλεσμα του πειράματος και ξεκίνησε την
θεωρία της σχετικότητας. Μήπως και τώρα ο Hogan κάνει κάτι τέτοιο; Θα δούμε σε λίγο.
Πηγές: Scientific American,  physics4u

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου