ما در بزرگ‌ترین هولوگرام جهان زندگی می‌کنیم
اگر روزی گذرتان به جاده‌های جنوبی حومه دنور افتاد، خوب به اطرافتان توجه کنید، چون ممکن است بتوانید GEO600 را ببینید. در گوشه‌ای از یک میدان، چند ساختمان موقت جعبه مانند قرار دارند و دو کانال طولانی از آنها با زاویه قائمه نسبت به هم منشعب می‌شوند که روی آنها با صفحه‌های آهنی موجدار پوشیده شده است. زیر این صفحات آهنی حسگری قرار دارد که طول آن به 600 متر می‌رسد.
در 7 سال گذشته، این آزمایشگاه که توسط دانشمندان آلمانی راه‌اندازی شده، به دنبال اغتشاش‌های ریز امواج گرانشی در گستره زمان-مکان بود که توسط اجرام فضایی فوق چگال مانند ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها تولید می‌شدند. البته ژئو600 تاکنون هیچ موج گرانشی را احساس نکرده، ولی گمان می‌رود ناخواسته سبب بزرگ‌ترین کشف علم فیزیک در نیم‌قرن گذشته شده باشد.
کریگ هوگان، فیزیکدانی که در آزمایشگاه فیزیک ذرات فرمی‌لب در ایلی‌نوی مشغول به تحقیق است، عقیده داشت که ژئو600 به مرزهای بنیادین زمان-مکان نزدیک شده است. از نظر او این مرز بنیادی، جایی است که زمان-مکان به جای این‌که مطابق با توضیح اینشتین، پیوسته و یکنواخت باشد؛ ذره‌ای می‌شود. درست مانند یک عکس روزنامه‌ای که وقتی از نزدیک به آن نگاه می‌کنید، نقطه‌نقطه می‌شود. به گفته هوگان «به نظر می‌رسد که تکانه‌های ریزمقیاس و کوانتیده زمان-مکان به ژئو600 ضربه وارد کرده باشند.»
آقای هوگان به تازگی به سمت رییس مرکز فیزیک ذرات کیهانی فرمی‌لب منصوب شده است. اگر آن‌چه آقای هوگان تا به این‌جا مطرح کرده خیلی برایتان اهمیت ندارد، باید به شوک بزرگ‌تری که در آستین دارد، گوش کنید: «اگر نتایج ژئو600 آن چیزی باشد که من تصور می‌کنم، در آن صورت ما در یک هولوگرام بسیار بزرگ کیهانی زندگی می‌کنیم.»
این ایده که ما در یک هولوگرام زندگی می‌کنیم، شاید در ابتدا بی‌معنی به نظر برسد؛ ولی بسط طبیعی از بیشترین دانسته‌های ما درباره سیاه‌چاله‌ها و هم‌چنین بعضی مسایل با پایه‌های نظری محکم است. این نظریه هم‌چنین به طرز شگفت‌آوری برای فیزیک‌دانانی که با نظریه‌های موجود در مورد نحوه عملکرد کیهان در پایین‌ترین سطح کلنجار می‌روند، جوابگو خواهد بود.
هولوگرام‌هایی که شما روی کارت‌های اعتباری و چک‌های بانکی می‌یابید، روی پرده‌های پلاستیکی دو‌بعدی کشیده شده‌اند. وقتی نور از آنها بازتاب می‌شود، تصویری سه بعدی را بازنمایی می‌کند. در دهه 1990، دو فیزیک‌دان به نام‌های لئونارد ساسکیند و ژرارد ات‌هوفت که برنده جایزه نوبل فیزیک است؛ احتمال دادند که ممکن است اصول مشابهی بر کل جهان به صورت جامع نیز حاکم باشد. تجربیات هر روزه ما را نیز می‌توان به یک بازتاب هولوگرامی از فرایندهای فیزیکی که روی یک سطح دو بعدی دور اتفاق می‌افتد، تشبیه کرد.
درک و فهم ما با «اصل هولوگرامی» دچار مشکل می‌شود. به سختی می‌توان تصور کرد که بیدار می‌شوید، دندانهایتان را مسواک می‌زنید و مقاله حاضر را می‌خوانید و همه این‌ها به خاطر این است که چیزی در مرزهای جهان در حال رخ دادن است! هیچ کس نمی‌داند که این برای ما به چه معنی خواهد بود اگر ما واقعا روی یک هولوگرام دو بعدی زندگی کنیم، با این حال، نظریه‌پردازان دلایل زیادی دارند که بگویند خیلی از جوانب اصل هولوگرامی درست است.
انگیزه نظریه جالب توجه ساسکیند و ات‌هوفت، کار درخشان ژاکوب بنشتاین از دانشگاه عبری بیت‌المقدس و استیون هاوکینگ در دانشگاه کمبریج روی سیاه‌چاله‌ها بود. در میانه دهه هفتاد، هاوکینگ نشان داد که سیاه‌چاله‌ها در حقیقت کاملا سیاه نیستند، بلکه تابش بسیار اندکی از خود منتشر می‌کنند در نهایت، منجر به ناپدید شدنشان می‌شود.
این فرضیه خود معمای جدیدی را مطرح می‌کند، چون نظریه تشعشع هاوکینگ هیچ اطلاعاتی در مورد داخل یک سیاه‌چاله ارایه نمی‌دهد. هنگامی که سیاه‌چاله محو شد، تمام اطلاعات در مورد ستاره‌ای که متلاشی شده و سیاه‌چاله را به وجود آورده ناپدید می‌شود و این، با اصل پذیرفته‌شده‌ای که می‌گوید اطلاعات نابود نمی‌شوند، در تعارض است. به این معما «پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله» می‌گویند.
قطعا این نظریه یک بینش عمیق فیزیکی به دنبال دارد: اطلاعات سه بعدی در مورد یک ستاره پیش‌رو را می‌توان بطور کامل در یک افق دو بعدی از یک سیاه‌چاله که پشت آن قرار گرفته، کدگذاری کرد، که تا حدی شبیه تصویر سه بعدی از یک جسم است که در یک هولوگرام دو بعدی کدگذاری می‌شود. ساسکیند و ات‌هوفت فرض کردند که کل هستی نیز یک افق دارد که مرز آن بیشتر از 13.7 میلیارد سال نوری با ما فاصله دارد و نور از آنجا هنوز به ما نرسیده‌است. بر پایه این فرض آنها این دیدگاه را به کل جهان به صورت یک مجموعه بسط دادند.
بیشتر از آن، کار چندین نظریه‌پرداز نظریه ریسمان بود که تایید کردند این نظریه در مسیر درستی قرار دارد و از میان آنان می‌توان به جوان مالداسنا در انستیتوی تحقیقات پیشرفته پرینستون اشاره کرد. او نشان داد که فیزیک یک جهان فرضی پنج بعدی و شکلی مانند یک پنج وجهی، دقیقا مانند فیزیکی است که در یک مرز چهار بعدی اتفاق می‌افتد.
به عقیده هوگان، اصل هولوگرامی تصور ما را از زمان-مکان به طور ریشه‌ای عوض می‌کند. فیزیک‌دانان نظری مدت‌های مدیدی اعتقاد داشتند که تاثیرات کوانتومی سبب می‌شود زمان-مکان در کوچک‌ترین مقیاس‌ها به شدت تکانیده شود. در این مقیاس از درشت‌نمایی، سطح نرم زمان-مکان دانه دانه می‌شود و در نهایت از واحدهای کوچکی مثل پیکسل تشکیل می‌شود، البته پیکسل‌هایی که صد میلیارد میلیارد بار از پروتون کوچک‌ترند. این طول را طول پلانک می‌نامند که اندازه‌اش 35-10 متر است. مقیاس پلانک فراتر از حتی تصور هر آزمایشی است، در نتیجه تاکنون هیچ‌کس حتی تصور این را که دانه دانه بودن و کوانتیدگی فضا-زمان قابل تشخیص باشد را به خود راه نداده‌بود.
البته این تا زمانی بود که هوگان فهمید اصل هولوگرامی همه چیز را تغییر خواهد داد. اگر فضا-زمان یک هولوگرام دانه دانه باشد، در آن‌صورت شما می‌توانید جهان را به صورت یک کره تصور کنید که سطح خارجی آن از مربع‌هایی به ابعاد طول پلانک تشکیل شده و هر یک از آنها، یک بیت اطلاعات در خود دارد. اصل هولوگرامی می‌گوید مقدار اطلاعاتی که سطح خارجی را می‌پوشاند، باید با تعداد بیت‌هایی که در داخل حجم جهان قرار دارند، برابر باشد.
ولی با توجه به این‌که حجم جهان کروی از سطح آن بزرگ‌تر است، یک تناقض پیش می‌آید. هوگان فهمید برای این‌که تعداد بیت‌های درون جهان با بیت‌های مرز آن برابر باشند، دنیای درون باید از دانه‌هایی با ابعاد بزرگ‌تر از طول پلانک درست شده باشد، یا به عبارت دیگر، دنیای هولوگرامی، محو و کم نور است.
این برای هر کس که می‌خواهد کوچک‌ترین واحد فضا-زمان را اندازه‌گیری کند، خبر خوبی است. هوگان در این رابطه می‌افزاید: «بر خلاف تمام انتظارات، این مساله ساختار ریزمقیاس کوانتیده آنرا در دسترس آزمایش‌های کنونی قرار می‌دهد.» در نتیجه در حالی‌که طول پلانک بسیار کوچک‌تر از آن چیزی است که بتوان آنرا با آزمایش اندازه گرفت؛ تصویر هولوگرامی دانه‌دانه‌ای می‌تواند خیلی خیلی بزرگ‌تر و در حد 18-10 متر باشد. وی می‌گوید: «اگر شما درون یک هولوگرام زندگی می‌کردید، می‌توانستید با اندازه‌گیری تیرگی‌اش، آن را بفهمید.»
هنگامی که هوگان برای اولین بار این را فهمید، فکر کرد که شاید آزمایش‌ها بتوانند عدم شفافیت هولوگرامی فضا-زمان را درک کنند. این همان جایی است که ژئو600 به آن رسیده است.
حسگرهای امواج گرانشی مانند ژئو600 به‌طرز شگفت‌انگیز و فوق‌العاده‌ای دقیقند. نظریه این است که اگر یک موج گرانشی از ژئو600 بگذرد، فضا را در یک جهت می‌کشد و در جهت دیگر فشرده می‌کند. برای اندازه‌گیری این تاثیر بسیار ضعیف، تیم ژئو600 یک تک موج لیزر را از یک آینه نیمه‌شفاف نقره که تقسیم‌کننده پرتو نامیده می‌شود، عبور می‌دهند. این آینه نیمه‌شفاف، نور را به دو پرتو تقسیم می‌کند که از بازوهای متقاطع 600 متری دستگاه می‌گذرد و باز می‌گردد. پرتوهای بازگشتی نور در آینه نیمه‌شفاف دوباره با هم جمع می‌شوند و امواج نور با حذف یا تقویت یکدیگر، الگوی تداخلی روشن‌و‌تاریکی را تشکیل می‌دهند. هر تغییری در موقعیت آن محدوده‌ها به شما می‌گوید که طول منتسب به بازوها دچار تغییر شده است.
به گفته هوگان «نکته کلیدی این است که این آزمایش‌ها، حسگرهایی دارند که به تغییر طول در ابعاد خیلی کوچک‌تر از یک پروتون حساسند.»
آیا آنها خواهند توانست یک تصویر هولوگرامی از فضا-زمان دانه‌دانه‌ای را حس کنند؟ هوگان فهمید که از پنج حسگر امواج گرانشی در جهان، آزمایشگاه انگلیسی-آلمانی ژئو600 حساس‌ترین حسگر به آن چیزی است که او در ذهن داشت. او پیش‌بینی کرد که اگر تکانه‌های فضا-زمان به تقسیم‌کننده پرتو ضربه وارد کنند، در اندازه‌گیری‌هایش خود را نشان خواهد داد و سبب نویز در سیگنال نور لیزر خواهد شد.
او پیش‌بینی‌هایش را خردادماه برای تیم ژئو600 فرستاد. «وقتی فهمیدم آزمایش آنها نویزهای ناخواسته‌ای را ثبت کرده، شگفت‌زده شدم.»
محقق ارشد ژئو600، کرستن دانزمن از انستیتوی فیزیک گرانشی ماکس پلانک در پوتسدام آلمان که در دانشگاه هانوفر نیز مشغول به کار است، اذعان می‌کند که نویز بیش از اندازه با فرکانس‌هایی بین 300 تا 1500 هرتز، گروه را برای مدت طولانی درگیر خود کرده بود. او به هوگان پاسخ داد و طرحی از نویز را برایش فرستاد. به گفته هوگان،«طرح کاملا با پیش‌بینی‌های من مطابقت داشت. مثل این بود که تقسیم‌کننده پرتو یک تکان جانبی داشت.»
البته هنوز هیچ‌کس، حتی خود هوگان، ادعا نمی‌کند که ژئو600 شواهدی دال بر زندگی ما در یک جهان هولوگرامی ارایه کرده است. هوگان اذعان دارد که هنوز برای گفتن این مساله خیلی زود است: «هنوز احتمال دارد که این نویز، منشا این جهانی داشته باشد.»
حسگرهای امواج گرانشی به شدت حساسند، در نتیجه کسانی که با آنها کار می‌کنند باید بیش از هر چیز برای حذف نویزها تلاش کنند. آنها باید حرکت ابرها، عبور و مرور خودروها حتی در فاصله دور، لرزش‌های زمین و منابع بی‌شمار دیگری را که ممکن است یک سیگنال واقعی را بپوشانند، حذف کنند. دانزمن می‌گوید «کار روزانه بالا بردن حساسیت این آزمایشات همیشه منجر به دریافت مقدار بیش از حد نویز می‌گردد. کار همیشگی ما این است که منبع یک نویز را کشف کنیم، از شر آن خلاص شویم و به دنبال منبع نویز دیگر بگردیم.» در حال حاضر هیچ منبع محتملی برای این نویز که ژئو600 دریافت کرده، پیدا نشده است. «در این مورد بخصوص از دید من، وضعیت فعلی ناپسند است، ولی نگران کننده نیست.»
برای مدتی، تیم ژئو600 چنین می‌پنداشتند نویزی که توجه هوگان را به خود جلب کرده، به دلیل نوسان دما در تقسیم‌کننده پرتو به وجود آمده است. اما بعد فهمیدند که این حالت در بدترین شرایط فقط می‌توانست در مورد یک سوم از نویزها صادق باشد.
دانزمن می‌گوید که برنامه‌های ارتقای برنامه‌ریزی‌شده فراوانی باید انجام شود تا حساسیت ژئو600 افزایش یابد و برخی منابع احتمالی نویزهای آزمایش را حذف کنند. بگفته او «اگر در پایان این فرایندها هم باز این نویز سر جای خودش باقی بماند، آنگاه باید آن را جدی بگیریم و در موردش فکر کنیم.»
اگر ژئو600 واقعا نویزهای هولوگرامی ناشی از تکانه‌های کوانتومی فضا-زمان را کشف کرده باشد، به شمشیری دو لبه برای محققان امواج گرانشی تبدیل خواهد شد. در یک سو، این نویز بر سر راه تلاش‌هایشان برای حس کردن امواج گرانشی مانع ایجاد خواهد کرد و از سوی دیگر، می‌تواند کشف بسیار بزرگ‌تری را برایشان رقم بزند.
چنین وضعیتی در فیزیک بی‌سابقه نیست. حسگرهای غول‌پیکری که در جستجوی حالتی موهوم از رادیواکتیویته که در آن پروتون‌ها نابود می‌شوند، ساخته شده بودند؛ هیچ‌گاه نتوانستد چنین چیزی را بیابند. در عوض، آنها کشف کردند که نوترینوها می‌توانند از حالتی به حالت دیگر تغییر یابند، که کشف مهم‌تری بود؛ چرا که مشخص کرد به چه دلیل جهان به جای این‌که از ماده تشکیل شده باشد، از ضد ماده تشکیل نشده است.
خیلی مسخره به نظر می‌رسد ابزاری که طراحی شده بود تا چیزی به وسعت منابع سماوی امواج گرانشی را کشف کند، به طور ناخواسته دانه‌دانه بودن فوق‌العاده ریزی را در چارچوب فضا-زمان کشف کرد. هوگان می‌گوید: «به نظر من به عنوان یک محقق فیزیک بنیادی، کشف نویز هولوگرامی خیلی جذاب‌تر است.»
بهای کم برای ارمغانی بزرگ
به رغم این حقیقت که نویزهای هولوگرامی در صورت وجود، سبب از بین رفتن توانایی‌های ژئو600 برای حس کردن امواج گرانشی می‌شوند، دانزمن خوشبین است. «حتی اگر حساسیت ژئو600 در یک بازه فرکانسی کم شود، این بهایی خواهد بود که ما با خوشحالی آنرا می‌پردازیم تا اولین کسانی باشیم که دانه‌دانه بودن چارچوب فضا-زمان را حس کرده‌اند. مطمئن باشید ما خوشحال خواهیم شد. این یکی از بزرگ‌ترین کشف‌های چند دهه اخیر است.»
با این حال دانزمن با احتیاط با طرح هوگان برخورد می‌کند و معتقد است که کار نظری بیشتری باید روی آن انجام شود. وی می‌گوید «این خیلی فریبنده است؛ ولی بیش از آن‌که یک نظریه باشد، ایده‌ای اولیه است.» دانزمن هم مانند خیلی‌های دیگر معتقد است که هنوز برای ادعای یک نظریه خیلی زود است. « بگذارید صبر کنیم و ببینیم. ما هنوز یک سال دیگر تا هیجان‌زده شدن وقت داریم.»
ولی هرچه معما طولانی‌تر شود، انگیزه‌ها برای ساخت ابزار اندازه‌گیری نویز هولوگرامی فزونی می‌گیرد. جان کریمر از دانشگاه واشنگتن در سیاتل با این نظر موافق است. او می‌گوید: «این یک خوش‌شانسی تصادفی بود که پیش‌بینی‌های هوگان به آزمایش ژئو600 ربط پیدا کرد. کاملا واضح است که تحقیقات و آزمایش‌های خیلی بهتری می‌توانستیم روی نویز هولوگرامی انجام دهیم، اگر آنها به طور ویژه روی اندازه‌گیری خواص نویزهای هولوگرامی و پدیده‌های مرتبط با آن متمرکز شده بودند.»
به اعتقاد هوگان یک احتمال می‌توانست این باشد که از دستگاهی به نام تداخل سنج اتمی استفاده کنیم. این دستگاه از اصولی مشابه با حسگرهای لیزری استفاده می‌کند، ولی پرتوها به جای لیزر از اتم‌های فوق سرد تشکیل شده‌اند. چون اتم‌ها می‌توانند رفتاری موجی و با طول‌موجی بسیار کمتر از نور داشته باشند، تداخل‌سنج‌های اتمی ابعادی بسیار کوچک‌تر دارند و در نتیجه، ساخت آنها از حسگرهای امواج گرانشی مشابه ارزان‌تر است.
هوگان مساله را دقیق‌تر بیان می‌کند: « فیلم جیمز باندی "ذره‌ای آرامش" را فراموش کنید، ما مستقیما کوچک‌ترین ذره زمان را دیده‌ایم. این کوچک‌ترین واحد ممکن زمان است، یعنی طول پلانک تقسیم بر سرعت نور.»
مهم‌تر این‌که، تصدیق اصل هولوگرامی می‌تواند کمک خیلی بزرگی به پژوهشگرانی باشد که سعی می‌کنند ماشین‌های کوانتومی و نظریه گرانش اینشتین را با هم ترکیب کنند. امروز معمول‌ترین دیدگاه در مورد گرانش کوانتومی، نظریه ریسمان است که محققان امید دارند رویدادهای هستی را در پایه‌ای‌ترین سطوح آن تشریح کنند.
ولی این فقط یک نمایش شهری نیست. کریمر چنین می‌گوید: «از فضا-زمان هولوگرامی در رویکردهای مشخصی به کوانتیزاسیون گرانش که ارتباط محکمی با نظریه ریسمان دارند، استفاده شده است. در نتیجه بعضی از نظریه‌های گرانش ممکن است ابطال شوند و برخی دیگر تقویت شوند.»
از جمله این نظریات تقویت‌شونده می‌توان به آن‌هایی اشاره کرده که از نظریه ریسمان نشات می‌گیرند، و هم‌چنین چیزی که نظریه ماتریکس نامیده می‌شود. «در نهایت، احتمالا ما اولین نشانه‌ها را از این‌که چطور فضا-زمان از نظریه کوانتوم پدیدار می‌شود، خواهیم دید.»
اگر این کشف غیرمترقبه همین‌گونه پیش برود، احتمالا پایه‌های خیلی چیزها را در دنیای فیزیک به هم خواهد ریخت و به سختی می‌توان خبری را یافت که از آن تکان‌دهنده‌تر باشد.
نیوساینتیست، 15 ژانویه / ترجمه: مجید جویا
