Važiuojant nuošalesne vietove į pietus nuo Hanoverio (Vokietija) sunku nepamatyti eksperimentinio komplekso GEO600. Iš išorės jis nėra išvaizdus: lauko kampe stovi kampuoti laikini pastatai, iš kurių išnyra dvi viena į kitą kampu nukreiptos ir gofruota geležimi padengtos ilgos tranšėjos. Tačiau po šiais metalo lakštais paslėptas tūno 600 metrų ilgio gravitacinių bangų detektorius.
Važiuojant nuošalesne vietove į pietus nuo Hanoverio (Vokietija) sunku nepamatyti eksperimentinio komplekso GEO600. Iš išorės jis nėra išvaizdus: lauko kampe stovi kampuoti laikini pastatai, iš kurių išnyra dvi viena į kitą kampu nukreiptos ir gofruota geležimi padengtos ilgos tranšėjos. Tačiau po šiais metalo lakštais paslėptas tūno 600 metrų ilgio gravitacinių bangų detektorius.
Pastaruosius septynerius metus šis vokiečių statinys ieškojo gravitacinių bangų – supertankių astronominių objektų, tokių kaip neutroninės žvaigždės ir juodosios skylės sukeltų erdvėlaikio svyravimų. Kol kas GEO600 gravitacinių bangų aptikti nepavyko, tačiau jis gali būti visai neplanuotai padaręs patį svarbiausią pastarosios šimtmečio pusės fizikinį atradimą.
Daugelį mėnesių GEO600 komandos nariai laužė galvas, bandydami suprasti nepaaiškinamą jų gigantiškam detektoriui trukdantį triukšmą. Būtent tada atsirado vienas mokslininkas, kuris ne tik pateikė tikėtiną versiją, bet ir numatė šį triukšmą dar prieš tai, kai jis buvo užregistruotas. Batavijoje (Ilinojus, JAV) įsikūrusios „Fermilab“ dalelių fizikos laboratorijos fizikas Craigas Hoganas mano, kad GEO600 susidūrė su fundamentalia erdvėlaikio riba – tašku, ties kuriuo erdvėlaikis nustoja elgtis tarsi vienalytis Einšteino aprašytas kontinuumas ir vietoj to išsiskaido į „granules“ – lygiai taip pat, kaip į taškus išsiskaido fotografija laikraštyje į ją pažvelgus per padidinamąjį stiklą. „Panašu kad GEO600 blaško mikroskopinės kvantinės erdvėlaikio konvulsijos“, – sako Hoganas.
Jei tai jūsų nestebina, tai Hoganas (kuris visai neseniai buvo paskirtas „Fermilab“ centro „Fermilab Center for Particle Astrophysics“ direktoriumi), pateikia dar vieną staigmeną: „Jei GEO600 aptiko tai, ką aš įtariu, tada mes visi gyvename gigantiškoje kosminėje hologramoje“.
Pati idėja, kad mes galime gyventi hologramoje, tikriausiai skamba absurdiškai, tačiau ji neįtikėtinai puikiai padeda fundamentaliuosius visatos veikimo principus bandantiems paaiškinti fizikams. Tos hologramos, kurias matote ant kreditinių kortelių arba banknotų, yra išraižytos dvimatėse plastmasinėse plėvelėse. Šviesai atsispindint nuo jų atkuriamas trimatis (3D) vaizdas. Aštuntajame dešimtmetyje fizikai Leonardas Susskindas ir Nobelio premijos laureatas Gerardas Hooftas pasiūlė mintį, kad tą patį principą būtų galima pritaikyti visatai kaip vienai visumai. Mūsų kasdienė patirtis gali būti holografinė projekcija tų fizikinių procesų, kurie vyksta tolimame dvimačiame (2D) paviršiuje.
 Ar GEO600 lazeris aptiko fundamentalų erdvėlaikio nepastovumą? ©Wolfgang Filser / Max Planck Society |
|---|
„Holografinis principas“ meta iššūkį mūsų suvokimui. Atrodo sunku patikėti, kad atsikeli ryte, išsivalai dantis ir skaitai šį straipsnį tik todėl, kad kažkas vyksta ties mūsų visatos pakraščiu. Niekas negali pasakyti, kaip pasikeistų mūsų gyvenimas jie tiksliai žinotume, kad gyvename hologramoje, tačiau teoretikai turi rimto pagrindo manyti, kad daugelis holografinio principo aspektų yra teisingi.
Susskindo ir Hoofto idėja remiasi revoliuciniu darbu apie juodąsias skyles, kurio autoriai – Jeruzalės žydų universiteto (Izraelis) mokslininkas Jacobas Bekensteinas ir Kembridžo universiteto mokslininkas Stephenas Hawkingas. Septintojo dešimtmečio viduryje Hawkingas pateikė hipotezę, kad juodosios skylės iš tiesų nėra visiškai „juodos“ – jos lėtai spinduliuoja radiaciją, dėl ko jos „garuoja“ ir galiausiai išnyksta. Tai kelia naują galvosūkį, nes Hawkingo radiacija neduoda jokios užuominos apie tai, kas yra juodosios skylės viduje. Kai juodoji skylė išnyksta, visa informacija apie žvaigždę, kuri kolapsavo į juodąją skylę taip pat dingsta, o tai prieštarauja plačiai pripažintam principui kad informacija negali būti sunaikinta. Šiuo metu tai žinoma informacinio juodosios skylės paradokso (angl. black hole information paradox) pavadinimu.
Bekensteino darbas pateikė šiam paradoksui išspręsti reikalingą svarbų įrankį. Jis atrado, kad juodosios skylės entropija – kuri yra šio objekto informacinio turinio sinonimas – yra proporcinga jos įvykių horizonto paviršiaus plotui. Tai yra teorinis paviršius, kuris dengia juodąją skylę ir žymi ribą ties kuria patekusi materija arba šviesa nebegali ištrūkti iš skylės gravitacinio lauko. Nuo to laiko teoretikai yra įrodę, kad ties įvykių horizontu atsirandantys mikroskopiniai kvantiniai bangavimai gali koduoti juodosios skylės viduje esančią informaciją, taigi juodajai skylei garuojant nėra jokio informacijos praradimo.
Iš esmės čia slypi gili fizikinio pobūdžio įžvalga: 3D informacija apie žvaigždę pirmtakę gali būti pilnutinai užkoduota dvimačiame vėliau atsiradusios juodosios skylės įvykių horizonte – panašiai kaip ir objekto trimatis vaizdas užkoduojamas dvimatėje hologramoje. Susskindas ir Hooftas šią mintį praplėtė ir pritaikė visai visatai kaip visumai, remdamiesi tuo, kad kosmosas taip pat turi savo horizontą – ribą, už kurios esanti šviesa per 13,7 milijardų visatos egzistavimo metų dar nepasiekė mūsų. Įdomu tai, kad keli stygų teorijos šalininkai, ypač Pažangių Tyrimų Instituto (Institute for Advanced Study) Princetone mokslininkas Juanas Maldacena patvirtino, kad idėja yra teisingame kelyje. Jis įrodė, kad hipotetinės penkiamatės visatos viduje galiojantys fizikos dėsniai yra analogiški jos keturmačiame pakraštyje galiojantiems dėsniams.
Hogano manymu, holografinis principas radikaliai keičia mūsų supratimą apie erdvėlaikį. Teorinės fizikos atstovai ilgą laiką manė, kad kvantiniai efektai sukelia erdvėlaikio pulsacijas mažyčiame mastelyje. Esant tokiam „išdidinimui“ erdvėlaikio medžiaga tampa grūdėta, sudaryta iš mažyčių nuotraukos taškus primenančių dalelių, kurios yra šimtus milijardų kartų mažesnės už protoną. Šis matmuo yra žinomas Planko ilgio (angl. Planck length) pavadinimu, ir tai sudaro apytiksliai 10–35 metro. Planko ilgis yra nepasiekiamas bet kokiam žmogiškajam eksperimentui, todėl niekas net nedrįso pasvajoti, kad erdvėlaikio grūdėtumą įmanoma „įžiūrėti“.
Ir taip buvo iki pat tol, kol Hoganas suvokė, kad holografinis principas keičia visą esmę. Jei erdvėlaikis yra iš atskirų grūdelių sudaryta holograma, tada apie visata galima galvoti kaip apie sferą, kurios išorinis paviršius yra padengtas Planko ilgio matmenų kvadratėliais, kurių kiekvienas koduoja vieną informacijos bitą. Šis holografinis principas teigia, kad išorę dengiantis informacijos kiekis turi atitikti visatos tūrio viduje esančių bitų skaičių.
Kadangi sferinės visatos tūris yra daug didesnis nei jos išorinis paviršius, kaip tai gali būti teisinga? Hoganas suvokė, kad norint į visatos vidų patalpinti tiek pat bitų kiek ir jos paviršiuje, vidinis pasaulis turi būti sudarytas iš didesnių grūdelių nei Planko ilgis. „Arba kitaip tariant, holografinė visata yra „išsiliejusių“ kontūrų“, – sako Hoganas.
Tai – geros naujienos visiems kas bando surasti mažiausią erdvėlaikio dalelę. „Priešingai visiems mūsų lūkesčiams, mikroskopinė kvantinė struktūra tampa pasiekiama dabartiniams eksperimentams“, – sako mokslininkas. Taigi, nors Planko ilgis yra per mažas norint jį aptikti bandymais, holografinė tokio dydžio „grūdelių“ projekcija gali būti daug, daug didesnė, ir gali siekti maždaug 10–16 metro. „Jei jūs gyventumėte hologramoje, jūs apie tai galėtumėte spręsti išmatavę tokį kontūrų išsiliejimą“, – aiškina Hoganas. Kai jis pirmą kartą tai suprato, neturėjo jokios idėjos kaip detektuoti tokį holografinį erdvėlaikio „kontūrų išsiliejimą“. Būtent tada į sceną įžengė GEO600.
Gravitacinių bangų detektoriai, tokie kaip GEO600, iš esmės yra fantastiškai jautrios liniuotės. Idėja remiasi tuo, kad jei gravitacinė banga praeis per GEO600, ji pakaitomis ištemps erdvę viena kryptimi ir suspaus kita. Tam kad tai išmatuoti GEO600 komanda perleidžia vieną lazerio spindulį pro pusiau permatomą veidrodį, vadinamąjį spindulio daliklį. Šis šviesos srautą padalina į du spindulius, kurie nukreipiami į dvi instrumento 600 metrų ilgio statmenas viena kitai atšakas ir galiausiai atsispindėję vėl grįžta atgal. Grįžtančios šviesos spinduliai ties spindulio skaidytuvu susilieja į vieną. Susidaro interferencinis šviesos raštas – pakaitomis einantys tamsūs ir šviesūs regionai, ties kuriais šviesos bangos arba nuslopina viena kitą, arba sustiprina. Bet koks šių regionų poslinkis rodo, kad santykinis ilgųjų įrenginio atšakų ilgis pakito. „Esminis tokių eksperimentų bruožas yra jų jautris šių „liniuočių“ ilgio pokyčiams, kurie yra gerokai mažesni nei protono skersmuo“, – sako Hoganas.
Ar jie galėtų aptikti holografinės erdvėlaikio projekcijos grūdėtumą? Hoganas suprato, kad iš pasaulyje esančių penkių gravitacinių bangų detektorių būtent anglų-vokiečių vykdomas GEO600 eksperimentas turėtų būti jautriausias tam, apie ką jis galvojo. Jis iš anksto prognozavo, kad jei eksperimente naudojamą spindulio dalintuvą užgrius kvantiniai erdvėlaikio triukšmai, tai atsispindės gautuose rezultatuose (Publikacija: Physical Review D, vol. 77, p 104031). „Šis atsitiktinis triukšmas turėtų sukelti triukšmą lazerio šviesos signale“, – sako Hoganas.
Praėjusį birželį jis nusiuntė savo prognozes GEO600 komandai. „Neįtikėtina, tačiau aš sužinojau, kad eksperimento metu buvo registruojamas netikėtas triukšmas“, – sako tyrinėtojas. GEO600 projekto tyrimų vadovas Vokietijos Makso Planko gravitacinės fizikos Instituto (Max Planck Institute for Gravitational Physics) mokslininkas Karstenas Danzmanas pripažino, kad jį ir bendradarbius nepaaiškinamas 300–1500 Hz triukšmas kamavo jau ilgą laiką. Jis nusiuntė Hoganui atsakymą kartu su triukšmo aprašu. „Jis buvo lygiai toks pats kaip ir mano prognozė – tarsi spindulio dalintuve būtų matuojamas pašalinis kvantinės kilmės triukšmas“, – sako Hoganas.
Kol kas niekas, įskaitant patį Hoganą, nesiryžta vienareikšmiškai teigti, kad GEO600 aptiko įrodymų, jog mes gyvename holografinėje visatoje. Kol kas taip manyti dar per anksti. „Gali egzistuoti ir koks nors žemiškos kilmės triukšmo šaltinis“, – pripažįsta pats Hoganas. Gravitacinių bangų detektoriai yra ypač jautrūs, todėl su jais dirbantys žmonės turi daugiau nei įprasta stengtis eliminuoti pašalinius triukšmus. Jiems tenka įvertinti netgi dangumi praslenkančius debesis, nutolusius transporto eismo srautus, seisminius virpesius ir daugelį, daugelį kitų šaltinių, galinčių maskuoti ieškomą signalą. „Kasdien didinant tokių eksperimentų jautrį atsiranda vis nauji pašalinio triukšmo šaltiniai. Mes dirbdami stengiamės identifikuoti jų kilmę, atsikratyti jais ir imtis kito šaltinio. Šiuo požiūriu dabartinę situaciją laikyčiau nemalonia, tačiau nekeliančia didesnio nerimo“, – sako Danzmanas. Šiuo metu vis dar nėra kitokių idėjų, iš kur gali būti kilęs GEO600 aptinkamas triukšmas.
Kurį laiką GEO600 komanda galvojo, kad Hoganą dominantis triukšmas kylą dėl spindulio dalintuvo temperatūros fliuktuacijų. Tačiau vėliau specialistai apskaičiavo, kad šis veiksnys gali sudaryti ne daugiau kaip trečdalį tokio triukšmo. Dazmano teigimu šiuo metu planuojama keletas GEO600 įrangos patobulinimų, kurių kiekvienas turėtų padidinti jautrį ir eliminuoti galimus eksperimentinius perteklinio triukšmo šaltinius. „Jei problema išliks tokia pati kaip ir buvo, mums teks sugalvoti naują sprendimą“, – sako mokslininkas. Jei GEO600 išties aptiko holografinį kvantinių erdvėlaikio susitraukimų keliamą triukšmą, tai gali turėti dvejopas pasekmes. Iš vienos pusės tai apribos tyrinėtojų pastangas aptikti gravitacines bangas. Kita vertus, tai gali būti fundamentalus atradimas.
