Czy wszechświat jest hologramem?

Czy otaczający nas wszechświat może być jedynie wirtualną projekcją? Czy to możliwe, aby trójwymiarowa rzeczywistość jaką postrzegamy była fałszywa? Wydaje się to nierealne, ze względu na fakt, że wszystko co widzimy ma swoją wysokość, szerokość oraz objętość; co wskazywałoby na to, że nie istnieją inne opcje. Okazuje się jednak, że mechanika kwantowa kryje w sobie zagadkę, której rozwiązanie może zawrócić w głowie.

Teza ta bierze się z analizy struktury czarnych dziur. Biorąc pod uwagę teoretyczne obliczenia ich dotyczące, okazuje się, że ich stopień nieuporządkowania układu (entropia) jest zależny od ich powierzchni, a nie masy. Gdy entropia czarnej dziury wzrośnie o jeden bit informacji to, zamiast objętości, zwiększy się pole powierzchni jej horyzontu zdarzeń, o długość w przybliżeniu równą kwadratowi długości Plancka. Dlaczego jest to istotne? Ponieważ udowadnia to, że własność określona na dwuwymiarowej powierzchni może definiować trójwymiarowy obiekt. Powstało założenie, że opis każdego trójwymiarowego rejonu przestrzeni lub ciała znajduje się na powierzchni dwuwymiarowej okalającej to ciało. W uproszczeniu, horyzont obserwatora, uzależnionego od grawitacji, potrzebuje o jeden wymiar mniej niż się wydaje.

Teoria Juana Malcadeny

W 1997r. fizyk, teoretyk – Juan Malcadena sformułował teorię, mówiącą że model, który zakłada pochodzenie grawitacji od nieskończenie cienkich, wibrujących strun mógłby być ponownie zinterpretowany za pomocą pojęć, znanych z „oficjalnej” fizyki. Przedstawił on odmienną wizję teoretycznego, matematycznie skomplikowanego świata strun, które egzystują w dziewięciu wymiarach przestrzennych i dziesiątym czasowym. Miałyby one być jedynie hologramem, a nasz wszechświat funkcjonowałby w prostym, płaskim kosmosie w którym nie istniałaby grawitacja. Pomysł ten był o tyle dobry, że dawał możliwość solidnego ugruntowania nieudowodnionej teorii strun, a także usuwał widoczne nieścisłości między fizyką kwantową a teorią grawitacji Einsteina. Pomimo tego, że hipotezę Malcadeny uznano, za logicznie uargumentowaną, to nie znaleziono żadnego konkretnego dowodu na jej potwierdzenie.

Niestety matematyczny opis tej zależności był możliwy jedynie w przypadku przestrzeni o ujemnym zakrzywieniu. Nasz wszechświat, w globalnej skali, jest po prostu płaski. Oczywiście trudna do wyobrażenia jest płaskość trójwymiarowej przestrzeni. Dlatego też postanowiliśmy wam ułatwić zwizualizowanie sobie jak by to mogło wyglądać. Posłuży nam do tego jedna z podstawowych figur geometrycznych – trójkąt. Jak wiemy z potwierdzonych reguł matematycznych – suma jego kątów zawsze wynosi 180 stopni. W przestrzeniach zakrzywionych ujemnie będzie ona mniejsza i analogicznie – w zniekształconych dodatnio – większa.

Dzięki pomiarom mikrofalowego promieniowania tła, które wykonała satelita Planck określono, że zakrzywienie przestrzeni kosmicznej jest bardzo zbliżone do zera. Promieniowanie miałoby do pokonania bardzo długą drogę przez przestrzeń kosmiczną nim dotarłoby do radioteleskopów. Więc jeżeli jest ona zakrzywiona, to obraz przenoszony przez to promieniowanie powinien być pomniejszony lub powiększony. Nic takiego nie miało jednak miejsca, a stąd powstał wniosek, że czasoprzestrzeń naszego Wszechświata nie jest zniekształcona. Jaki to ma związek z trójkątem? Gdyby pomiary kątów zostały wykonane w skali kosmicznej, to okazałoby się, że ich suma wynosi równo tyle, ile podają reguły matematyczne. Geometria naszej przestrzeni jest więc euklidesowa; jako taka nie posiada żadnej krzywizny.

Najnowsze odkrycia

Przez długi czas fizycy poszukiwali dowodów, które umożliwiłyby im udowodnienie tej teorii inną drogą. Odpowiedź nadeszła w 2015r. kiedy naukowcy z Politechniki Wiedeńskiej wspólnie z międzynarodowym zespołem badawczym sformułowali tezę, że tożsamość między teoriami kwantowymi w przestrzeniach oraz opisującymi w zakrzywionych przestrzeniach zachodzi również w tych o zerowej krzywiźnie. Sformułowanie tego wniosku było możliwe dzięki analizie splątania kwantowego dwóch cząsteczek; sprawia ono, że nie mogą być one opisane indywidualnie. Tworzą bowiem pojedynczy obiekt, nawet gdy jest pomiędzy nimi ogromny dystans; można natomiast dokonać pomiaru entropii splątania.
Porównano wyniki obliczeń w trójwymiarowej teorii z grawitacją w czasoprzestrzeniach płaskich oraz w pewnej dwuwymiarowej teorii pola kwantowego bez grawitacji; okazały się one zgodne.

Następstwem przyjęcia założeń teorii holograficznej jest akceptacja ziarnistości czasoprzestrzeni. Niektóre obliczenia pokazują, że ziarna z których składa się czasoprzestrzeń, są na tyle rozległe, że ich wielkość jest wykrywalna dla współczesnych przyrządów badawczych. Wahania przypadkowe takich ziaren (inaczej fluktuacja) objawiałby się jako szum holograficzny, który byłby możliwy do zarejestrowanie przez detektory fal grawitacyjnych. W jednym z nich (model GEO600) wykryto szumy o częstotliwości od 300Hz do 1500Hz, których pochodzenie pozostaje nieokreślone. Co istotne, właściwości tych szumów pasują do teorii o ziarnistości przestrzeni i pokrywają się, ze stwierdzeniem, że bity informacji zapisane na dwuwymiarowej powierzchni są w stanie posiąść pełną informację zawartą w trójwymiarowej objętości.

Czy można potwierdzić omawianą teorię?

Niestety, pozostałe eksperymenty, które miały za zadanie potwierdzić ziarnistość przestrzeni nie wykazały niczego. Na pocieszenie można jednak przytoczyć opinię ekspertów, którzy sugerują, że to dopiero początek takich badań i w następnych latach powinna być możliwa weryfikacja teorii holograficznego wszechświata dzięki innym osiągnięciom badawczym. Choć jak to bywa w przypadku tego typu teorii ciężko o kompromis między fizykami, to badania nad teorią holograficzną wyznaczają nowy kierunek, którym może podążyć współczesna nauka. Miejmy nadzieję, że wkrótce poznamy odpowiedź na najtrudniejsze z pytań, jakie niesie za sobą omawiana teza – Czy trzy wymiary są jedynie widzianym przez nas złudzeniem? Czy może lepiej, aby odpowiedź nigdy nie nadeszła?