E greu să nu remarci, călătorind prin zona rurală din sudul Hanovrei, instalaţiile care găzduiesc experimentul GEO600. De vreo 7 ani această instalaţie germană vânează undele gravitaţionale – „valuri” ale continuului spaţiu-timp emise de obiecte cosmice supradense cum sunt stelele neutronice şi găurile negre.
Deocamdată GEO500 nu a detectat nici o undă gravitaţională, dar s-ar putea ca, din greşeală/întâmplare, să fi făcut cea mai importantă descoperire din fizică din ultima jumătate de secol.

Timp de mai multe luni, membrii echipei GEO600 şi-au bătut capul cu inexplicabilul zgomot care bruia semnalul prins de enormul detector cu 2 braţe lungi de 600 de metri fiecare. Intr-o bună zi, un cercetător american a abordat echipa GEO600 cu o explicaţie. De fapt, el (Craig Hogan – fizician la laboratorul Fermilab pentru Fizica Particulelor Elementare din Batavia, Illinois) anticipase existenţa acestui zgomot înainte ca cei de la GEO600 să-l fi detectat.

După părerea lui Hogan, GEO600 a atins limita fundamentală a spaţiu-timpului – punctul în care acest continuum nu se mai comportă după cum îl descria Einstein, ci se „dizolvă” în „granule”, la fel cum imaginile din ziare se descompun în puncte negre când sunt examinate sub lupă. „E ca şi cum GEO600 ar fi zguduit de convulsiile cuantice ale spaţiu-timpului” spune Hogan.
Şi dacă această veste nu v-a şocat destul, Hogan, care tocmai a fost numit directorul Centrului de Astrofizica Particulelor de la Fermilab, vine cu o noutate şi mai şocantă: „Dacă rezultatul obţinut de GEO600 este ceea ce bănui, înseamnă că trăim într-o gigantică hologramă cosmică.” Ideea că trăim într-o hologramă poate suna absurd, dar ar fi o extensie firească a cunoştinţelor noastre despre găurile negre şi o ipoteză cu o bază teoretică destul de solidă. Această idee a fost surprinzător de utilă pentru fizicienii care se luptă cu teoriile despre funcţionarea universului la cel mai profund nivel.
Hologramele pe care le vedem pe cărţile de credit şi bancnote sunt gravate pe o peliculă de plastic 2D (bidimensională). Când lumina cade pe ele, se recreează imaginea unei imagini 3D. In anii 1990, fizicienii Leonard Susskind şi laureatul Nobel Gerard ‘t Hooft sugerau că acelaşi principiu s-ar putea aplica şi universului ca întreg. Viaţa noastră de zi cu zi ar putea fi, de fapt, o proiecţie holografică a proceselor fizice care se derulează pe o suprafaţă bidimensională aflată la o distanţă neînchipuit de mare la marginea universului!
La drept vorbind, „Principiul holografic” ne agresează bunul simţ. Este greu de crezut că ne trezim, ne spălăm pe dinţi şi citim articolul de faţă pentru că „ceva” se petrece la hotarul universului. Nimeni nu ştie ce ar însemna dacă am trăi cu adevărat într-o hologramă, deşi teoreticienii au suficiente temeiuri ca multe aspecte ale Principiului Holografic să fie adevărate.
Remarcabila idee avansată de Susskind şi ‘t Hooft a fost stimulată de lucrările lui Jacob Bekenstein de la Hebrew University din Ierusalim şi cele ale lui Stephen Hawking de la Cambridge University. Pe la mijlocul anilor 70, Hawking arăta că găurile negre nu sunt, de fapt, chiar „negre”, ci emit lent radiaţie care le fac să se evapore şi, în final, să dispară. Această teorie are o hibă pentru că radiaţia Hawking nu poartă nici o informaţie despre interiorul găurii negre. Când o gaură neagră s-a evaporat/dispărut, întreaga informaţie despre steaua care, prin colapsare, a generat gaura neagră, s-a pierdut şi ea, ceea ce contravine principiului conform căreia informaţia nu poate fi distrusă (paradoxul informaţiei găurii negre).
Lucrările lui Bekenstein au furnizat o cheie importantă pentru rezolvarea paradoxului. El a descoperit că entropia găurii negre – sinonimă cu conţinutul în informaţie – este proporţională cu aria „orizontului evenimentelor” al găurii negre. Aceasta este suprafaţa teoretică care „maschează” gaura neagră şi marchează punctul fără întoarcere al materiei sau luminii care cade în gaură. Teoreticienii au arătat că valurile cuantice de la „orizontul evenimentelor” poate codifica informaţia din gaura neagră, astfel că nu există nici o pierdere misterioasă de informaţie pe măsură ce gaura neagră se evaporă.
Fără îndoială, avem de a face cu o profundă viziune fizică: informaţia 3D despre o stea precursoare poate fi integral codificată în orizontul de evenimente 2D al găurii negre create după colapsarea acelei stele – cam cum ar fi imaginea 3D a unui obiect encodat într-o hologramă 2D. Susskind şi ‘t Hooft au extins această abordare/teorie la universul ca întreg pornind de la ipoteza că universul are şi el un „orizont” – graniţa dincolo de care lumina nu a avut timp să ajungă la noi în intervalul de 13,7 miliarde de ani – vârsta universului. Mai mult, studiile mai multor teoreticieni ai stringurilor (cel mai vestit fiind Juan Maldacena de la Princeton) au confirmat că ideea este pe calea cea bună. El a arătat că fizica valabilă într-un ipotetic univers cu 5 dimensiuni este aceeaşi ca şi fizica de pe graniţa 4D a aceluiaşi ipotetic univers.
După Hogan, principiul holografic modifică radical imaginea noastră despre spaţiu-timp. De multă vreme fizicienii teoreticieni erau convinşi că efectele cuantice generează convulsii dramatice ale continuumului spaţiu-timp la dimensiunile cele mai infinitesimale. La această scară ultramicro, canavaua spaţiu-timpului devine granulară şi este, în ultimă instanţă, compusă din unităţi neînchipuit de mici, cam cum sunt pixelii, dar de o sută de miliarde de miliarde de ori mai mici decât un proton. Această distanţă a fost numită lungimea Planck (10^-35m). Lungimea Planck se situează cu mult dincolo de posibilităţile imaginabile experimentale de măsurare astfel incât nimeni nu îndrăzneşte să viseze că granulele spaţiu-timpului ar putea fi detectate.
Aşa a fost doar până când Hogan şi-a dat seama că principiul holografic schimbă totul. Dacă spaţiu-timpul este o hologramă granulară, atunci ne putem gândi la univers ca la o sferă a cărei suprafaţă exterioară este tapetată cu careuri având latura egală cu distanţa Planck, fiecare conţinând un bit de informaţie. Conform Principiului holografic, cantitatea de informaţie care căptuşeşte exteriorul sferei-graniţă trebuie să corespundă numărului de biţi conţinuţi în volumul universului.
Deoarece volumul universului sferic este mult mai mare decât suprafaţa sa exterioară, cum ar mai putea fi adevărată această aserţiune? Hogan şi-a dat seama că, pentru ca numărul de biţi din interiorul universului să-l egaleze pe cel de pe suprafaţa exterioară, lumea din interiorul universului trebuie să fie alcătuită din granule mai mari decât lungimea Planck. „Ori, altfel spus, un univers holografic este într-un fel alcătuit din particule infime, ca o ceaţă”, spune Hogan.
Aceasta este o veste bună pentru oricine încearcă să detecteze cele mai mici unităţi ale spaţio-timpului. „Contrar tuturor aşteptărilor, structura cuantică microscopică este adusă astfel la limita de detectabilitate a experimentelor curente,” afirmă Hogan. Aşadar, în timp ce lungimea Planck este prea mică pentru a fi detectată experimental, în schimb „proiecţia” holografică a acelor granulaţii ar putea fi mult mai mare, ajungând la aproximativ 10-16m. „Dacă trăim cu adevărat într-o hologramă, ne-am putea convinge măsurând această granularitate (a proiecţiei holografice),” mai spune Hogan.
Firesc, Hogan şi-a pus întrebarea dacă vreun experiment ar putea fi capabil să detecteze granularitatea holografică a spaţiu-timpului. Ei bine, aici intră în scenă GEO600!
Detectorii undelor gravitaţionale cum este GEO600 sunt instrumente fantastic de sensibile. Ideea este că, dacă o undă gravitaţională trece prin GEO600, ea va dilata spaţiul într-o direcţie şi-l va contracta după cealaltă. Pentru a măsura această perturbaţie, echipa GEO600 trimite o rază laser printr-un divizor optic (oglindă semitransparentă). Acesta despică lumina în două raze care trec prin 2 braţe perpendiculare unul faţă de celălalt, fiecare lung de 600 de metri, după care se întorc la divizor. Aici cele 2 raze interferă generând franje de interferenţă. Orice modificare de lungime a unuia dintre braţele de 600m va produce o deplasare a franjelor de interferenţă indicând totodată care din braţe a fost afectat de unda gravitaţională. „Elementul cheie al acestor experimente este faptul că sunt sensibile la modificări ale lungimii cu mult inferioare diametrului unui proton,” (Hogan).
Aşadar, ar fi oare posibilă detectarea proiecţiei holografice a spaţio-timpului granular? Dintre toţi cei 5 detectori de unde gravitaţionale care operează în lume, Hogan l-a găsit pe GEO600 ca fiind cel mai sensibil şi potrivit pentru ipoteza sa. El a prezis că, dacă divizorul de fascicole este afectat de convulsiile cuantice ale spaţio-timpului, acesta (divizorul) le va dezvălui în semnalele detectate. (Physical Review D, vol.77, p 104031).
In iunie 2008, Hogan a comunicat echipei GEO600prezicerea sa. Cercetătorul principal de la GEO600, Karsten Danzmann de la Institutul Max Planck pentru Fizică Gravitaţională din Potsdam recunoaşte că zgomotul cu frecvenţe cuprinse între 300 şi 1500 herţi deranja şi contraria echipa sa de multă vreme. I-a răspuns lui Hogan trimiţîndu-i şi o înregistrare a acelui zgomot supărător. „Arăta exact ca în predicţia mea. Era ca şi cum divizorul de lumină era supus unei influenţe haotice suplimentare venită din afară.” îşi aminteşte Hogan.
Şi totuşi, nimeni, nici măcar Hogan, nu pretinde că GEO600 a descoperit dovada că trăim într-un univers holografic. Este cu mult prea devreme pentru a afirma aşa ceva.
Detectorii de unde gravitaţionale sunt extrem de sensibili, aşa că cei care le operează trebuie să muncească din greu pentru a elimina zgomotele generate de surse banale, terestre. Astfel, ei trebuie să ţină cont de norii aflaţi în trecere, de traficul de la mare distanţă, de şocurile seismice şi multe alte surse care ar putea masca semnalul util. In prezent nu există surse „vinovate” pentru zgomotul detectat la GEO600. „In această privinţă, aş considera situaţia actuală drept neplăcută, dar nu de-a dreptul îngrijorătoare” spune Danzmann. Tot el declară că sunt plănuite mai multe perfecţionări care vor ameliora sensibilitatea detectorului GEO600 şi vor elimina unele dintre sursele posibile de zgomot. „Dacă zgomotul persistă chiar şi după ce vom opera aceste perfecţionări, atunci vom fi nevoiţi să medităm asupra implicaţiilor profunde.”
Dacă GEO600 a descoperit cu adevărat zgomotul holografic provenit din convulsiile spaţiu-timpului, atunci evenimentul poate fi o sabie cu două tăişuri pentru cercetătorii din domeniul gravitaţiei. Pe de o parte, zgomotul va împiedica încercările acestor savanţi de a detecta undele gravitaţionale. Pe de alta, faptul în sine ar reprezenta o descoperire şi mai crucială. Ar fi o ironie a soartei ca un instrument elaborat şi construit pentru a detecta ceva atât de amplu şi misterios cum sunt sursele astrofizice de unde gravitaţionale a detectat din întâmplare granulaţia infimă a spaţiu-timpului. „Vorbind de pe poziţia de fizician teoretician, consider descoperirea zgomotului holografic cu mult mai interesantă.” spune Hogan.
Chiar dacă Hogan are dreptate, iar zgomotul holografic va perturba detectarea undelor gravitaţionale de către GEO600, totuşi Danzmann este entuziasmat. „Chiar dacă (zgomotul) limitează sensibilitatea GEO600 într-un anumit domeniu de frecvenţă, ar fi un preţ pe care l-am plăti bucuroşi în schimbul primei detectări a granulaţiei spaţio-timpului” spune Hogan. Cu toate acestea, Danzmann este precaut faţă de poziţia lui Hogan şi crede că mai sunt necesare eforturi teoretice. „Este derutant, dar nu este totuşi o teorie închegată, ci mai curând o idee. Credem că este cam cu un an prea devreme ca să ne entuziasmăm.”
Totuşi, cu cât şarada persistă, cu atât mai puternică este motivaţia pentru construirea unui instrument special dedicat detectării zgomotului holografic. John Cramer de la Univ Washington din Seattle este şi el de acord. „A fost un accident fericit ca prezicerile lui Hogan să poată fi conectate cu experimentul GEO600.”
Aşadar, ce ar însemna dacă într-adevăr a fost descoperit zgomotul holografic? Cramer îl leagă de descoperirea neaşteptatului zgomot detectat de o antenă de la Bell Labs din New Jersey în 1964. Acel zgomot s-a dovedit a fi fondul de microunde al cosmosului, o strălucire mult întârziată a Big Bang-ului.
Hogan este mai concret: „Ar însemna să fi fost observată direct cuanta de timp. Este cel mai mic posibil interval de timp – lungimea lui Planck împărţită la viteza luminii.”
Mai important, confirmarea principiului holografic ar fi de mare ajutor cercetătorilor care încearcă să unifice mecanica cuantică şi teoria einsteiniană a gravitaţiei. Astăzi, cea mai populară abordare a gravitaţiei cuantice este teoria stringurilor, care (speră cercetătorii) ar putea descrie evenimentele din univers la cel mai profund nivel. Dar, acest aspect nu este singurul. „Spaţiu-timpul holografic este folosit în unele abordări/teorii de cuantificare a gravitaţiei care au o puternică conexiune cu teoria stringurilor.” spune Cramer. In consecinţă, unele teorii cuantic-gravitaţionale ar putea fi infirmate, în timp ce altele vor fi confirmate.”
Hogan admite că, dacă principiul holografic este confirmat, el va elimina toate abordările cuantic-gravitaţionale care nu includ principiul holografic. Invers, ar fi un impuls pentru cele care-l includ, inclusiv unele care derivă din teoria stringurilor şi încă ceva numit teoria matricială. „In ultimă instanţă, am putea deţine prima indicaţie asupra modului în care spaţiu-timpul decurge din teoria cuantică.”
Fără teama de exagerare, faptele relatate mai sus pot fi considerate o adevărată descoperire serendipică, o deschidere de noi drumuri în fizică şi nu numai!.

(adaptare după NewScientist din 17 ianuarie 2009)