Een wetenschappelijk experiment van Duitse wetenschappers genaamd GEO600 om naar zwaartekrachtgolven te zoeken, dat al zeven jaar aan de gang is, heeft volgens het tijdschrift New Scientist tot onverwachte resultaten geleid.
Met behulp van een speciaal apparaat - een interferometer - gingen natuurkundigen een van de conclusies van Einsteins relativiteitstheorie wetenschappelijk bevestigen.
Volgens deze theorie zijn er zogenaamde gravitatiegolven in het heelal - verstoringen van het gravitatieveld, "rimpelingen" van het weefsel van ruimte-tijd.
Voortplanting met de snelheid van het licht, zwaartekrachtgolven genereren vermoedelijk ongelijke massabewegingen van grote astronomische objecten: de vorming of botsingen van zwarte gaten, supernova-explosies, enz.
De wetenschap verklaart de niet-waarneembaarheid van zwaartekrachtgolven door het feit dat zwaartekrachtseffecten zwakker zijn dan elektromagnetische. Wetenschappers, die in 2002 met hun experiment begonnen, verwachtten deze zwaartekrachtgolven te detecteren, die later een bron van waardevolle informatie zouden kunnen worden over de zogenaamde donkere materie, waaruit ons universum in wezen bestaat.
Tot nu toe heeft GEO600 geen zwaartekrachtgolven kunnen detecteren, maar blijkbaar hebben wetenschappers met behulp van het apparaat de grootste ontdekking op het gebied van fysica van de laatste halve eeuw gedaan.
Maandenlang konden experts de aard van de vreemde geluiden die de werking van de interferometer verstoren, niet verklaren, totdat plotseling een verklaring werd geboden door een fysicus van het Fermilab-laboratorium.
Volgens de hypothese van Craig Hogan kwam het GEO600-apparaat in botsing met de fundamentele grens van het ruimte-tijdcontinuüm - het punt waarop ruimte-tijd ophoudt een continu continuüm te zijn zoals beschreven door Einstein, en uiteenvalt in 'korrels', alsof een foto, meerdere keren vergroot, verandert in een cluster van afzonderlijke punten …
Promotie video:
"Het lijkt erop dat GEO600 microscopisch kleine kwantumfluctuaties van ruimtetijd tegenkwam," stelde Hogan voor.
Als deze informatie u niet sensationeel genoeg lijkt, luister dan verder: "Als GEO600 struikelt over wat ik veronderstel, betekent dit dat we in een gigantisch ruimtehologram leven."
Alleen al het idee dat we in een hologram leven, lijkt misschien belachelijk en absurd, maar het is gewoon een logische voortzetting van ons begrip van de aard van zwarte gaten, gebaseerd op een volledig aantoonbare theoretische basis.
Vreemd genoeg zou de "theorie van het hologram" natuurkundigen aanzienlijk helpen om eindelijk uit te leggen hoe het universum op een fundamenteel niveau werkt.
Hologrammen die ons bekend zijn (zoals bijvoorbeeld op creditcards) worden aangebracht op een tweedimensionaal oppervlak, dat driedimensionaal begint te lijken wanneer een lichtstraal er onder een bepaalde hoek op valt.
In de jaren negentig suggereerden Nobelprijswinnaar natuurkunde Gerardt Huft van de Universiteit Utrecht (Nederland) en Leonard Susskind van Stanford University (VS) dat een soortgelijk principe zou kunnen worden toegepast op het universum als geheel. Ons dagelijkse bestaan zelf kan een holografische projectie zijn van fysieke processen die plaatsvinden in een tweedimensionale ruimte.
Het is heel moeilijk om te geloven in het 'holografische principe' van de structuur van het heelal: het is moeilijk voor te stellen dat je wakker wordt, je tanden poetst, kranten leest of tv kijkt, alleen maar omdat verschillende gigantische ruimtevoorwerpen ergens aan de grenzen van het heelal met elkaar in botsing zijn gekomen.
Niemand weet nog wat "leven in een hologram" voor ons zal betekenen, maar theoretisch fysici hebben veel redenen om aan te nemen dat bepaalde aspecten van de holografische principes van het functioneren van het universum realiteit zijn.
De conclusies van wetenschappers zijn gebaseerd op een fundamentele studie van de eigenschappen van zwarte gaten, die werd uitgevoerd door de beroemde theoretisch fysicus Stephen Hawking samen met Roger Penrose.
Halverwege de jaren zeventig bestudeerde de wetenschapper de fundamentele wetten die het universum beheersen en toonde hij aan dat uit Einsteins relativiteitstheorie een ruimte-tijd volgt die begint in de oerknal en eindigt in zwarte gaten.
Deze resultaten wijzen op de noodzaak om de studie van de relativiteitstheorie te combineren met de kwantumtheorie. Een van de gevolgen van deze combinatie is de bewering dat zwarte gaten eigenlijk niet helemaal "zwart" zijn: ze zenden in feite straling uit, wat leidt tot hun geleidelijke verdamping en volledige verdwijning.
Zo ontstaat er een paradox, de "informatieparadox van zwarte gaten" genaamd: het gevormde zwarte gat verliest zijn massa en straalt energie uit. Wanneer een zwart gat verdwijnt, gaat alle informatie die het heeft geabsorbeerd verloren. Volgens de wetten van de kwantumfysica kan informatie echter niet volledig verloren gaan.
Hawking's tegenargument: de intensiteit van de zwaartekrachtvelden van zwarte gaten is tot dusver onbegrijpelijk en komt overeen met de wetten van de kwantumfysica. Hawking's collega, de natuurkundige Bekenstein, heeft een belangrijke hypothese naar voren gebracht die helpt bij het oplossen van deze paradox.
Hij veronderstelde dat een zwart gat een entropie heeft die evenredig is met het oppervlak van zijn voorwaardelijke straal. Dit is een soort theoretisch gebied dat het zwarte gat maskeert en het punt markeert waarop materie of licht niet terugkeert. Theoretisch natuurkundigen hebben bewezen dat microscopisch kleine kwantumfluctuaties van de voorwaardelijke straal van een zwart gat informatie in een zwart gat kunnen coderen, zodat er geen informatie verloren gaat die zich in een zwart gat bevindt op het moment van verdamping en verdwijning.
Er kan dus worden aangenomen dat de driedimensionale informatie over de oorspronkelijke stof volledig kan worden gecodeerd in de tweedimensionale straal van het zwarte gat dat is gevormd na zijn dood, ongeveer zoals een driedimensionaal beeld van een object wordt gecodeerd met behulp van een tweedimensionaal hologram.
Zuskind en Huft gingen zelfs nog verder en pasten deze theorie toe op de structuur van het heelal, gebaseerd op het feit dat de ruimte ook een voorwaardelijke straal heeft - een grensvlak, waarboven het licht in 13,7 miljard jaar van het bestaan van het heelal nog niet is binnengedrongen.
Bovendien kon Juan Maldacena, een theoretisch fysicus aan de Princeton University, bewijzen dat dezelfde fysische wetten zullen werken in een hypothetisch vijfdimensionaal universum als in een vierdimensionale ruimte.
Volgens de theorie van Hogan verandert het holografische principe van het bestaan van het heelal ons vertrouwde beeld van ruimte-tijd radicaal. Lange tijd geloofden theoretisch fysici dat kwantumeffecten de ruimtetijd chaotisch konden laten pulseren op een schamele schaal.
Op dit niveau van pulsatie wordt het weefsel van het ruimte-tijd continuüm "korrelig" en alsof het gemaakt is van de kleinste deeltjes, vergelijkbaar met pixels, maar honderden miljarden keren kleiner dan een proton. Deze lengtemaat staat bekend als de "Planck-lengte" en vertegenwoordigt het getal van 10-35 m.
Op dit moment zijn fundamentele fysische wetten empirisch getest tot afstanden van 10-17, en de Planck-lengte werd als onbereikbaar beschouwd totdat Hogan zich realiseerde dat het holografische principe alles verandert.
Als het ruimte-tijd continuüm een korrelig hologram is, dan kan het heelal worden weergegeven als een bol, waarvan het buitenoppervlak bedekt is met de kleinste oppervlakken van 10-35 m lang, die elk een stukje informatie bevatten.
Het holografische principe zegt dat de hoeveelheid informatie die het buitenste deel van het bol-universum bedekt, moet overeenkomen met het aantal bits informatie dat zich in het volumetrische universum bevindt.
Aangezien het volume van het bolvormige universum veel groter is dan het gehele buitenoppervlak, rijst de vraag: hoe is het mogelijk dit principe te observeren? Hogan suggereerde dat de stukjes informatie die het "binnenste" van het universum vormen groter zouden moeten zijn dan de lengte van Planck. "Met andere woorden, het holografische universum is als een wazig beeld", zegt Hogan.
Voor wie op zoek is naar de kleinste deeltjes ruimtetijd, is dit goed nieuws. "In tegenstelling tot wat vaak wordt verwacht, is microscopische kwantumstructuur direct beschikbaar voor onderzoek", zei Hogan.
Hoewel deeltjes met afmetingen gelijk aan de Planck-lengte niet kunnen worden gedetecteerd, is de holografische projectie van deze "korrels" ongeveer 10-16 m. Toen de wetenschapper al deze conclusies trok, vroeg hij zich af of het mogelijk was om deze holografische vervaging van de ruimte experimenteel te bepalen. tijd. En toen kwam GEO600 te hulp.
Apparaten zoals de GEO600, die zwaartekrachtgolven kunnen detecteren, werken volgens het volgende principe: als er een zwaartekrachtgolf doorheen gaat, zal deze de ruimte in de ene richting rekken en in de andere richting comprimeren.
Om de golfvorm te meten, richten wetenschappers een laserstraal door een speciale spiegel die een straalsplitser wordt genoemd. Het splitst de laserstraal in twee stralen, die door de loodrechte staven van 600 meter gaan en weer terugkeren.
Terugkerende bundels combineren weer tot één en creëren een interferentiepatroon van lichte en donkere gebieden, waar lichtgolven verdwijnen of elkaar versterken. Elke verandering in de positie van deze secties geeft aan dat de relatieve lengte van de staven is veranderd. Veranderingen in lengte kleiner dan de diameter van een proton kunnen experimenteel worden gedetecteerd.
Als de GEO600 inderdaad holografische ruis zou detecteren uit kwantumvibraties van ruimte-tijd, zou het een tweesnijdend zwaard zijn voor onderzoekers: enerzijds zou het geluid interfereren met hun pogingen om zwaartekrachtgolven te "vangen".
Aan de andere kant zou dit kunnen betekenen dat de onderzoekers een veel fundamentelere ontdekking konden doen dan aanvankelijk werd gedacht. Er is echter een zekere ironie van het lot: een apparaat dat is ontworpen om de golven op te vangen die het gevolg zijn van de interactie van de grootste astronomische objecten, vond zoiets microscopisch als de "korrels" van de ruimte-tijd.
Hoe langer wetenschappers het mysterie van holografische ruis niet kunnen ontrafelen, des te acuter wordt de vraag om verder onderzoek in deze richting te doen. Een van de mogelijkheden voor onderzoek kan het ontwerp zijn van de zogenaamde atomaire interferometer, waarvan het werkingsprincipe vergelijkbaar is met dat van de GEO600, maar in plaats van een laserstraal zal een lage temperatuurstroom van atomen worden gebruikt.
Wat zal de ontdekking van holografische ruis betekenen voor de mensheid? Hogan is ervan overtuigd dat de mensheid nog maar één stap verwijderd is van het detecteren van een kwantum van tijd. “Dit is het kleinst mogelijke tijdsinterval: de Planck-lengte gedeeld door de lichtsnelheid”, zegt de wetenschapper.
Maar bovenal zal de mogelijke ontdekking onderzoekers helpen om de kwantummechanica te combineren met de zwaartekrachttheorie van Einstein. De meest populaire in de wetenschappelijke wereld is de snaartheorie, die, volgens wetenschappers, zal helpen om alles wat er in het universum gebeurt op een fundamenteel niveau te beschrijven.
Hogan is het ermee eens dat als holografische principes worden bewezen, geen enkele benadering van de studie van kwantumzwaartekracht voortaan buiten de context van holografische principes valt. Integendeel, het zal de aanzet zijn voor bewijzen van snaartheorie en matrixtheorie.
"Misschien hebben we het eerste bewijs van hoe ruimte-tijd volgt uit de kwantumtheorie in onze handen", merkte de wetenschapper op.
