آيا جهان يك هولوگرام خيلي بزرگ است ؟

اگر از ناحيه جنوبي شهر هانوفر در آلمان عبور كنيد ، قادر به ديدن پروژه "جي اي اُ 600" نخواهيد بود . از نماي دور عظمت اين پروژه چندان به چشم نمي آيد . اماهر چه به آن نزديك مي شويم ، مجموعه اي از ساختمان هاي موقتي و مكعبي شكل نمايان مي شوند كه در آن ، دو كانال طولاني و پوشيده با آهن كركره اي در يك زاويه قائمه هب هم رسيده اند. در قسمت پايين ورقه هاي آهني ، يك آشكارساز به طول 600 متر قرار دارد.
در هفت سال گذشته ، اين پروژه آلماني به دنبال موج هاي خفيف گرانشي در فضاـ زمان بوده است ، موج هايي كه در پي اجرام نجومي ابرچگال مي آيند ، مانند ستاره هاي نوتروني و سياه چاله ها. جي اي اُ 600، تا به حال نتوانسته است امواج گرانشي را آشكارسازي كند، اما ناخواسته به كشف بسيار مهمي در علم فيزيك در نيم قرن حاضر رسيده است .
اعضاي گروه جي اي اُ 600 ماده ها در جست و جوي منشا نويزي بودند كه آشكارساز عظيم شان را مختل كرده بود؛ اما توضيح قابل قبولي را نتوانستند در اين زمينه ارائه دهند. هم زمان با فعاليت هاي اعضاي گروه مذكور ، فيزيكداني با نام "هوگان" از آزمايشگاه فرمي در ايالات متحده ، نظريه اي را در مورد نويز ارائه كرد. به گفته وي ، جي اي اُ 600 به طور اتفاقي به اساسي ترين حد فضاـ زمان برخورد كرده است، همان نقطه اي كه در آن فضا ـ زمان ديگر داراي ويژگي پيشنهادي اينيشتن ، ويژگي پيوستار ملايم و بدون اصطكاك نخواهد بود، بلكه تبديل به ذره مي شود . درست همانند زماني كه اگر روي عكس چاپ شده در روزنامه تمركز كنيم ، تبديل به الگويي نقطه نظر خواهد شد.
هوگان مي گويد : "اين پديده شبيه اين است كه جي اي اُ 600 تحت ضربه كوانتوم هاي ميكروسكوپي فضا ـ زمان قرار گرفته است."
اگر اين ادعا شما را خيلي شگفت زده نكرده ، بهتر است بدانيد هوگان شگفتي بزرگ ديگري را نيز در آستين دارد:" اگر نتيجه پروژه جي اي اُ 600 همان باشد كه من حدس مي زنم ، در اين صورت ما در يك هولوگرام بزرگ كيهاني زندگي مي كنيم." اين فكر كه ما در يك هولوگرام بزرگ زندگي مي كنيم شايد معقول به نظر نيايد ، اما اين امر يك تعميم طبيعي از بهترين دانسته اي ما در مورد سياه چاله هاست و حتي شايد بتوان گفت كه ادعايي با يك پايه نظري تقريبا محكم است . جالب است بدانم كه اين نتيجه گيري ، براي فيزيكدانان درگير با نظريه هاي مربوط به سازوكار بنيادين عالم نيز بسيار مفيد بوده است .
هولوگرام هايي كه شما روي كارت هاي اعتباري و اسكناس مي بينيد ، روي پوسته پلاستيكي دو بعدي چاپ شده اند و وقتي نور تابيده شده به آنها بازگردانده مي شود، تصويري سه بعدي را خلق مي كند.در دهه 1990 دو فيزيكدان "لئونارد ساسكيند" و "جرارد تهوفت" (برنده جايزه نوبل) اظهار داشتند كه مي توان اصل هولوگرافي را به كل جهان اعمال كرد. شايد تجربه هاي روزانه ما خودشان تجسم هولوگرافيك از فرايندهاي فيزيكي باشند كه روي يك سطح مبهم دو بعدي اتفاق مي افتند.
"اصل هولوگرافي" درك ما را از مسائل به چالش مي كشاند . سخت است باور كردن اين موضوع كه از خواب بيدار شدن ، مسواك زدن و حتي مطالعه خود اين مقاله ، به خاطر اتفاقاتي است كه در مرز عالم به وقوع مي پيوندند. هيچكس نمي داند زندگي در يك هولوگرام باري ما چه معنايي خواهد داشت . با اين وجود ، نظريه پردازان دلايل خوبي را براي اثبات درستي بسياري از جنبه هاي اصل هولوگرافي در دست دارند .
ساسكيند و تهوفت تحت تاثير تلاش هاي اوليه و نوين "ياكوب بكنشتاين" و استفن هاوكينگ در مورد سياه چاله ها، نظريه فوق را ارائه كردند.
در نيمه دهه 1970هاوكينگ نشان داد كه سياه چاله ها در حقيقت كاملا "سياه" نيستند، در عوض به آرامي پرتو ساطع مي كنند كه اين عمل باعث بخار شدن و سرانجام ناپديد شدن آنها مي شود . اين خود يك معماست ، چرا كه پرتو هاوكينگ هيچ گونه اطلاعاتي در مورد داخل سياه چاله نمي دهد. با از بين رفتن سياه چاله ، تمامي اطلاعات مربوط به ستاره اي كه متلاشي شدن آن به ايجاد سياه چاله انجاميده بود نيز از ميان خواهد رفت، كه اين مسئله در تناقض با اصل مشهود "زوال ناپذيري اطلاعات " است . اين پديده به عنوان "تناقض اطلاعات سياه چاله ها" شناخته شده است .
تلاش هاي بكنشتاين سر نخ مهمي در حل اين تناقض به شمار مي آيد . او کشف كرد كه كهولت يك سياه چاله (نشان دهنده ميزان اطلاعات دروني سياه چاله ) با مساحت سطح افق رويداد متناسب است . سطح فرضي افق رويداد ، سياه چاله را پنهان مي كند و مكان غير قابل بازگشت براي ماده و نورگير افتاده در آن را مشخص مي كند از آن پس ، نظريه پردازان نشان داده اند كه حركات موجي كوانتومي ميكروسكوپي (ريزمقياس) در افق رويداد مي تواند اطلاعات داخل سياه چاله را رمز گشايي كند، بنابراين مي توان گفت كه اطلاعات ناشناخته سياه چاله را قبل از ناپديد شدن آن ، در دست خواهيم داشت .
اساسا ، اين يك درون بيني عميق فيزيكي است . مي توان اطلاعات سه بعدي پيش ستاره اي را با استفاده از اطلاعات سياه چاله ـ كه با مرگ اين ستاره تشكيل خواهد شد ـ در افق دو بعدي آن رمز گشايي كرد ، بي شباهت به رمز گشايي تصور سه بعدي شيئي در يك هولوگرام دو بعدي نيست . ساسكيند و تهوفت اين درون بيني را به كل جهان تعميم دادند ، اساسا يك درون بيني عميق فيزيكي است . مي توان اطلاعات سه بعدي پيش ستاره اي را با استفاده از اطلاعات سياه چاله ـ كه با مرگ اين ستاره تشكيل خواهد شدـ در افق دو بعدي آن رمز گشايي كرد ، كه بي شباهت به رمزگشايي تصوير سه بعدي شيئي در يك هولوگرام دو بعدي نيست . ساسکيند و تهوفت اين درون بيني را به كل جهان تعميم دادند ، بر اين اساس كه كيهان نيز داراي مرز است ؛ مرزي كه نور از آن زودتر از 13/7 ميليارد سال به ما نخواهد رسيد. علاوه بر اين، مطالعات به عمل آمده از سوي گروهي از نظريه پردازان ، به ويژه "خوان مالداسينا" از موسسه مطالعات پيشرفته در پرينستون ، مويد درستي اين ايده است . او نشان داد كه فيزيك جهان فرضي با 5 بعد ، مانند همان فيزيكي است كه در مرز 4 بعدي اتفاق مي افتد.
به گفته هوگان ، اصل هولوگرافي اساسا تصوير ما را از فضاـ زمان تغيير مي دهد . فيزيكدانان نظري باور داشته اند كه تاثيرات كوانتومي باعث خواهند شد تا فضا ـ زمان به تندي تا كوچك ترين ذره تكان بخورد.در اين بزرگنمايي ، بافت و اساس فضاـ زمان ذره اي ، و نهايتا مانند واحدهاي ريز شبيه پيكسل ، اما 100 ميليارد ميليارد بار كوچك تر از يك پروتون خواهد شد . اين مقياس با عنوان "طوال پلانك" (كه فقط 10-35 متر است) شناخته مي شود . طول پلانك كوچك تر از آن است كه بتوان با فناوري امروز آن را مورد آزمايش عملي قرار داد ، بنابراين حتي نمي توان ديدن ذرات فضا ـ زمان را تصور كرد.
البته ديدگاه فوق فقط تا زماني مورد تاييد بود كه هوگان پي برد اصل هولوگرافي همه چيز را تغيير مي دهند . اگر فضا ـ زمان يك هولوگرام ذره اي باشد، شما مي توانيد جهان را مانند كره اي در نظر بگيريد كه سطح خارجي آن پوشيده از مربع هايي به اندازه طول پلانك است و هر كدام حاوي يك بيت از اطلاعات كل هستند. اصل هولوگرافي مي گويد مقادير اطلاعاتي كه سطح بيروني را پوشش مي دهند ، بايد با تعداد بيت هايي كه داخل حجم جهان هستند ، متناسب باشند.
از آنجايي كه حجم جهان كره اي شكل بسيار بيشتر از مساحت سطح خارجي اش است ، چگونه اين تناسب مي تواند صحيح باشد؟ هوگان دريافت كه براي داشتن تعداد بيت هاي مساوي در سطح و داخل جهان ، جهان داخل بايد از ذراتي بزرگ تر از اندازه طول پلانك تشكيل شده باشد ، كه اين موضوع ، نشان دهنده مبهم بودن جهان هولوگرافي است .
اين خبري خوب براي هر كسي است كه قصد كاوش در كوچك ترين واحد فضاـ زمان را دارد . هوگان مي گويد : "برخلاف تمام انتظارات ، ساختار ميكروسكوپي كوانتومي در طول آزمايش هاي موجود به چشم مي آيد." چون بررسي طول پلانك در آزمايش ها ممكن نيست ، پس تجسم هولوگرافي از ذرات مي تواند بسيار بزرگ باشد ، حدود 10-16 متر. او مي گويد :" اگر شما داخل يك هولوگرام زندگي مي كرديد ، مي توانستيد اندازه دقيق را به وسيله اندازه گرفتن لكه بفهميد."
وقتي هوگان براي اول بار به اين موضوع پي برد ، اين سوال برايش پيش آمد كه آيا مي توان لكه هاي هولوگرافي فضا ـ زمان را آشكار كرد . اين درست زماني است كه جي اي اُ 600 به كمك هوگان مي آيد.
آشكار سازهاي امواج گرانشي مانند جي اي اُ 600 ، اساسا اندازه گيري هاي بسيار حساسي هستند. باور بر اين است كه اگر موج گرانشي در طول جي اي اُ 600 عبور كند، متناوبا فضا را در يك جهان منبسط كرده و در جهت گيري ديگر مي فشارد. از اين رو ، اعضاي گروه جي اي اُ 600 يك تك ليزر را در طول آينه نيمه نقره اندود شده به نام شكاف دهنده باريكه ، برانگيختند . شكاف دهنده پرتو نور را به دو باريكه تقسيم مي كند كه از بازوي 600 متري عمودي دستگاه پايين رفته و بازتاب داده مي شوند. باريكه هاي نور بازتاب شده ، در شكاف دهنده باريكه ادغام مي شوند و در نقطه اي كه امواج نور همديگر را حذف يا تقويت مي كنند، يك الگوي تداخلي از نواحي روشن و تاريك را ايجاد مي كنند. هر گونه تغيير موقعيت اين نواحي ، بيانگر تغييرات فاصله هاي نسبي بازوهاست.
هوگان مي گويد: "مسئله كليدي اين است كه چنين آزمايش هايي ، به تغييراتي در حد كوچك تر از قطر پروتون در طول اندازه گيرها نيز حساس اند. پس آيا آنها قادر به نمايان ساختن تجسمي از ذرات فضا‌ـ زمان هستند؟" از پنج آشكارساز امواج گرانشي در دنيا ، هوگان دريافت كه آزمايش جي اي اُ 600 نسبت به آن چيزي كه ما در ذهن داريم ، بهترين خواهد بود.
او پيش بيني كرد كه اگر شكافنده باريكه آزمايش در اثر تكان كوانتوم هاي فضا ـ زمان دچار تشنج شود ، اين تغيير در اندازه گيري ها نمايان خواهد شد . وي مي گويد :" اين حركت نامنظم غير منتظره باعث ايجاد نويز در سيگنال نور ليزر خواهد شد." وي مي گويد :"به طور باورنكردني ، متوجه شدم كه نويزهاي پيش بيني نشده اي ، آزمايش جي اي اُ 600 را مختل مي كند." مدير پروژه جي اي اُ 600 ،"كارستن دانزمن،" اقرار مي كند كه اختلال اضافي ، با فركانس 300-1500 هرتز، مدت طولاني است كه گروه را آزار مي دهد . او براي هوگان نمونه اي از اختلال را فرستاد. هوگان مي گويد :"دقيقا شبيه پيشگويي من بود! طوري بود كه گويي شكافنده باريكه ، حركات نامنظم اضافي داشت." به طور باورنكردني ، آزمايش ، نويز غيرمنتظره را افزايش مي داد؛ گويي تشنج ها و تكان هاي كوانتومي باعث حركات نامنظم اضافي مي شدند. هيچ كس حتي هوگان تا به حال ادعايي نكرده اند كه جي اي اُ 600 مدركي دال بر زندگي ما در يك جهان هولوگرافي يافته باشد. اظهار مطلبي در اين مورد هنوز خيلي زود است . هوگان اقرار مي كند كه هنوز هم بايد يك پاسخ معقول تر وجود داشته باشد.
آشكارسازهاي امواج گرانشي بسيار حساس اند، بنابراين افرادي كه قصد كار با آنها را دارند بايستي نسبت به افرادي كه قصد از بين بردن اين نويز را دارند ، تلاش بيشتري بكنند. آنها مجبورند گذر ابرها ، ترافيك دور است و بسياري از منابعي را كه مي توانند مانعي در جهت تشخيص سيگنال واقعي باشند ، در نظر بگيرند. دانزمن مي گويد :"كار روزانه براي پيشرفت حساسيت اين آزمايش ها ، هميشه با ايجاد نويز اضافي همراه است . براي تشخيص علت ، رفع آن ، و از سر راه برداشتن منبع توليد كننده نويز اضافي بعدي ، تلاش مي كنيم. در حال حاضر هيچ گونه منبع واضحي براي نويز جي اي اُ 600 وجود ندارد . از اين رو با اين كه موقعيت فعلي چندان خوشايند نيست ، اما چندان هم جاي نگراني نيست."
گروه جي اي اُ 600 فكر كردند نويزي كه هوگان به آن علاقه مند است ، مي تواند به وسيله ارتعاشات دمايي در شكاف دهنده باريكه ايجاد شده باشد. اما ، اعضاي گروه بعد از كار كردن روي موضوع ،تخمين زدند كه در اين صورت حداكثر يك سوم اين نويز مي توانست ايجاد شود.
دانزمن معتقد است براي تقويت حساسيت جي اي اُ 600 و حذف بعضي از موانعي كه باعث افزايش نويزند ، بايد برنامه هايي ترتيب داد. او مي گويد : "اگر بعد از اين آزمايش ها، نويز همچنان باقي ماند ، بايد دوباره در اين مورد فكر كنيم."
اگر جي اي اُ 600 واقعا علت نويزها را تكان هاي كوانتومي فضا ـ زمان مي داند ، در اين صورت اين نويز ، يا تلاش محققان را براي كشف امواج گرانشي از بين خواهد برد و يا مي تواند يك كشف اساسي ديگري را پيش رو بگذارد . اين چنين مسائلي در فيزك بي مانند نيستند. آشكارسازهاي عظيم براي شناسايي گونه اي فرض از واپاشي پروتون ساخته شده اند ، واپاشي اي كه به طور معمول اتفاق نمي افتد . در عوض ، آنها كشف كردند كه نوترون ها مي توانند از نوعي به نوع ديگر تغيير كنند؛ چون اين موضوع بسيار مهم مي توانست به ما نشان دهد كه جهان چرا با ماده پر شده نه پاد ماده . جالب است كه وسيله اي براي كشف چيزي به بزرگي منشا اختر فيزيكي امواج گرانشي ساخته شده باشد ، اما چيزي به كوچكي ذرات خرد فضاـ زمان راكشف كند!
با اين كه حق با هوگان است و نويز هولوگرافي توانايي جي اي اُ 600 را براي كشف امواج گرانشي محدود خواهد كرد، دانزمن خوش بين است . وي مي گويد : "حتي اگر نويز در بعضي بردهاي فركانسي حساسيت جي اي اُ 600 را محدود كند، در عوض اولين آشكارسازي ذرات فضاـ زمان ، بهاي كوچكي خواهد بود كه ما از پرداختن آن شاد هستيم. اين يكي از چشمگيرترين كشف ها در زمينه فيزيك خواهد بود."
هنوز هم دانزمن در مورد اظهارات هوگان محتاط است و معتقد است بايد بر روي نظريه هاي بسياري كار شود . وي مي گويد :"[جهان هولوگرافي] فريبنده است . اما ، اين در واقع يك نظريه نيست ، بلكه فقط يك ايده است." دانزمن ، مانند محققان ديگر ، ادعاي قطعي در اين مورد را خيلي زود مي داند. وي مي گويد : "بيائيد منتظر بمانيم و ببينيم."
تا زماني كه اين معما حل نشده است ، بايد انگيزه قوي تري براي ساخت ابزارهاي مختص كاوش نويز هولوگرافي به وجود آيد." جان كرامر" از دانشگاه واشنگتن نيز با اين مسئله موافق است . ارتباط پيش گويي هوگان با آزمايش هاي جي اي اُ 600 يك اتفاق تصادفي بود. او مي گويد :"واضح است تمركز خاص روي اندازه گيري و مشخص كردن نويز هولوگرافي و پديده هاي مربوط به آن ، باعث بهبود وضعيت تحقيقات آزمايشگاهي مي شود."
به گفته هوگان ، استفاده از يك وسيله به نام تداخل سنج اتمي راه حل ديگري است . اين ابزار كه از همان اصول اشكارسازهاي ليزري استفاده مي كند، به جاي نور ليزر از باريكه هايي از جنس اتم هاي فراسرد استفاده مي كند. چون اتم ها مي توانند مانند امواجي با طول موج هاي بسيار كوچك تر از نور رفتار كنند، به طور چشمگيري از همتاي آشكار ساز امواج گرانشي كوچك تر و ارزان تر هستند.
اما كشف نويز هولوگرافيك چه اهميتي خواهد داشت؟ كرامر اين را به كشف نويز پيش بيني نشده به وسيله يك آنتن در آزمايشگاه "بل" در نيوجرسي در سال 1964 تشبيه مي كند. آن نويز يك ريز موج كيهاني از آب در آمد، كه بقاياي به جامانده از انفجار بزرگ (مه بانگ) بود. وي مي گويد : " اين نويز ، نه تنها جايزه نبول را بري آرنوپنسايز و رابرت ويلسون به ارمغان آورد ، بلكه وقوع مه بانگ را تاييد كرد و بسياري از معماهاي كيهان شناسي را به طور كامل توضيح داد."
مهم تر آن كه ، تاييد اصل هولوگرافي براي محققاني كه در پي تلفيق مكانيك كوانتومي و نظريه گرانشي اينشتين هستنند، كمك بسيار بزرگي خواهد بود. امروزه متداول ترين رويكرد در اين زمينه ، نظريه ريسمان است . محققان اميدوارند كه اين نظريه بتواند در پايه اي ترين سطح ، اتفاقات جهان را توجيه كنند. اما كاربرد آن صرفا محدود به اين مسئله نيست.
هوگان معتقد است تاييد اصل هولوگرافي، تمام رويكردها در مورد گرانش كوانتومي كه از اين اصل نشات نگرفته اند را رد مي كند . در عوض ، براي ديدگاه هايي كه حاوي اصل هولوگرافي هستند، مانند نظريه ريسمان و نظريه ماتريس ، نقطه قوت خواهد بود . و سرانجام شايد نخستين سرنخ ها را در مورد اين كه فضاـ زمان چگونه از دلِ نظريه كوانتومي پديدار مي شود ، به دست آوريم.
منابع:
دانشمند شماره 566
نيوساينتيست ، شماره 2691
/ع