Ένα ολόγραμμα δείχνει πώς το διάστημα θα μπορούσε να υπάρξει

Θυμάμαι ότι αγόρασα το πρώτο μου ολόγραμμα ως φοιτητής στα μέσα της δεκαετίας του 1980. Έδειχνε ένα κρεβάτι με καρφιά. Το συνάντησα σε μια γκαλερί σε εκείνη που ήταν τότε η παγκόσμια πρωτεύουσα των διαστημικών μπιχλιμπιδιών, η Haight Street στο Σαν Φρανσίσκο. Όταν το σήκωσα, το ολόγραμμα έμοιαζε με ένα φύλλο φιλμ χωρίς χαρακτηριστικά, αλλά όταν το κράτησα κάτω από τον σωστό φωτισμό στη σωστή γωνία, τα καρφιά έσκασαν επιθετικά. Το ολόγραμμα δεν παρέλειψε ποτέ να λάβει μια συγκλονιστική αντίδραση από τους ανθρώπους. Λειτούργησε επειδή η εικόνα των νυχιών ήταν λερωμένη σε ολόκληρο το φιλμ, έτσι ώστε να ανασυσταθεί με ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους από διαφορετικές γωνίες θέασης, προκαλώντας μια αίσθηση βάθους.

Στις αρχές της δεκαετίας του '90, οι θεωρητικοί φυσικοί σκέφτηκαν την ιδέα της ολογραφικής αρχής, η οποία υποδηλώνει ότι ο κόσμος γύρω μας είναι επίσης ένα είδος ολογραφικής προβολής. Ο τρισδιάστατος χώρος που βιώνουμε μπορεί να δημιουργηθεί από μια δισδιάστατη πραγματικότητα ή ακόμα και από ένα μηδενικό σύστημα, ένα σύστημα που δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι κατοικεί καθόλου στο διάστημα. Αυτή η ριζοσπαστική πρόταση προέκυψε από τη μελέτη των μαύρων οπών και του κβαντικού αναβρασμού στην περίμετρό τους ή στον ορίζοντα γεγονότων. Μια μαύρη τρύπα μοιάζει με έναν όγκο διαστήματος με πολύ χώρο για να χωρέσει αντικείμενα, αλλά η χωρητικότητά της δεν αυξάνεται όπως θα έπρεπε ένας όγκος. Αν προσπαθήσετε να το γεμίσετε, θα βρείτε τον εαυτό σας παραδόξως ανίκανο να το κάνει - ακριβώς όπως όταν πήγατε να αγγίξετε τα καρφιά στο ολόγραμμά μου, ένιωθες μόνο άδειο αέρα, προδίδοντας την ψευδαίσθηση.

Η ολογραφική αρχή ήταν μια εξαιρετικά γόνιμη ιδέα και οι φυσικοί έχουν αφιερώσει τις τελευταίες δύο δεκαετίες για να την τελειοποιήσουν και να την επεκτείνουν. Μέσα από αυτό, έχουν βρει απροσδόκητες συνδέσεις μεταξύ της δομής του χωροχρόνου και του κβαντικού υπολογισμού. Ένα ολόγραμμα αποθηκεύει μια εικόνα με περιττό τρόπο, όπως οι κωδικοί διόρθωσης σφαλμάτων που διατηρούν την ακεραιότητα των δεδομένων.

Ένας από εκείνους που ανέπτυξαν την ιδέα, ο Leonard Susskind, μου λέει ότι εμπνεύστηκε από ένα ολόγραμμα που πέρασαν μαζί με αρκετούς συναδέλφους του σε έναν διάδρομο στο Στάνφορντ:«Είπαμε αστειευόμενοι, "Ίσως ο ορίζοντας είναι σαν ολόγραμμα". Ήταν ένα ολόγραμμα. αστείο και όχι αστείο». Αλλά αναρωτήθηκα:Είναι τα ολογράμματα απλώς μια βολική μεταφορά ή θα μπορούσαμε να δούμε ένα πραγματικό ολόγραμμα να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε την αφηρημένη αρχή; Επισκέφτηκα λοιπόν έναν κορυφαίο κατασκευαστή ολογραμμάτων, τον John Perry, στο στούντιό του στο Μπέρλινγκτον του Βερμόντ. Έκανε μια επίδειξη του πώς μια ολογραφική προβολή ξετυλίγεται σταδιακά, μιμούμενος τον τρόπο με τον οποίο μια διάσταση του χώρου μπορεί να αναδυθεί από μια βαθύτερη πραγματικότητα.

Ο Πέρι χρησιμοποίησε ένα ολόγραμμα μολυβιών - μια μπροστινή σειρά από μύτες μολυβιών και μια πίσω σειρά από γόμες μολυβιών - που φωτίζονται από μια κόκκινη ακτίνα λέιζερ. Πρώτα έδειξε πώς τοποθετεί κανονικά το ολόγραμμα και τον φωτισμό. Η εικόνα εμφανίστηκε πίσω από την ταινία, σαν να έπρεπε να περάσετε μέσα από την ταινία για να αγγίξετε τα μολύβια.

Στη συνέχεια, ο Perry γύρισε το ολόγραμμα για να εμφανιστεί η εικόνα μπροστά, και τοποθέτησε μια πλαστική οθόνη σε μια συγκεκριμένη απόσταση (βλ. φωτογραφία στα δεξιά). Με αυτόν τον τρόπο, μπορούσαμε να προβάλουμε επιλεκτικά μόνο ένα μόνο επίπεδο της εικόνας, τραβώντας μια φέτα στην προβολή για να αποκαλύψουμε πώς ήταν δομημένη. Θα μπορούσατε να πείτε ότι το ολόγραμμα αντιστράφηκε επειδή το γράμμα στα μολύβια, "Ticonderoga", ήταν κατοπτρική.

Με αυτή τη ρύθμιση, μπορούσαμε να δούμε το αποτέλεσμα του φωτισμού μόνο μέρους του ολογράμματος. Ξεκινήσαμε στοχεύοντας την ακατέργαστη δέσμη λέιζερ στο φιλμ, μόνο για ένα τσίμπημα φωτός. Αν έλαμψες έναν τόσο στενό άξονα φωτός σε μια τυπική φωτογραφία, θα έβλεπες μόνο ένα μικροσκοπικό μέρος της σκηνής. τα υπόλοιπα θα κείτονταν στο σκοτάδι. Σε ένα ολόγραμμα, όμως, ακόμη και ο μερικός φωτισμός δείχνει ολόκληρη τη σκηνή. Κάθε μέρος περιέχει το σύνολο. Σε μια φωτογραφία, η αντιστοίχιση μεταξύ ταινίας και εικόνας είναι τοπική:Κάθε σημείο της ταινίας αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο μέρος της σκηνής. Αλλά σε ένα ολόγραμμα η χαρτογράφηση δεν είναι τοπική. Οι μύτες μολυβιού και οι γόμες βρίσκονται ακριβώς το ένα πάνω στο άλλο στην ταινία, αλλά βρίσκονται σε ξεχωριστές θέσεις στην τρισδιάστατη προβολή.

Αυτό που χάσαμε με τον στενό φωτισμό ήταν μια αίσθηση βάθους. Όλη η σκηνή ήταν στο επίκεντρο, έτσι ώστε οι μύτες και οι γόμες μολυβιών φάνηκαν να βρίσκονται στην ίδια απόσταση από τον θεατή. Η τρίτη διάσταση δεν είχε ακόμη εμφανιστεί. Χρησιμοποιώντας φακό και μάσκα από χαρτόνι, ο Perry μεγάλωσε σταδιακά τη δέσμη. Οι μύτες του μολυβιού παρέμειναν στο επίκεντρο, αλλά οι γόμες έγιναν πιο θολές. Ο φωτισμός μιας ευρύτερης περιοχής της ταινίας επέτρεψε την προβολή της σκηνής από ένα αυξανόμενο εύρος προοπτικών. Η προβολή αναπτυσσόταν σε κάποιο βάθος.

Αυτές οι ίδιες αρχές ισχύουν για την ολογραφική αρχή στη θεμελιώδη φυσική. Η χαρτογράφηση μεταξύ του τρισδιάστατου σύμπαντός μας και της υποτιθέμενης δισδιάστατης πραγματικότητας είναι επίσης εξαιρετικά μη τοπική. Το σώμα σας εκτείνεται σε έναν περιορισμένο όγκο τρισδιάστατου χώρου, αλλά απλώνεται σε όλο το πλάτος του συστήματος χαμηλότερων διαστάσεων. Εκεί που αποτυγχάνει η μεταφορά του ολογράμματος είναι ότι δεν υπάρχει λέιζερ ή προβολέας. Η ολογραφική εικόνα δεν γεμίζει χώρο. Είναι χώρος. Το σύστημα 2-D συμπεριφέρεται σαν μια τρίτη διάσταση να είναι κρυμμένη μέσα του σαν μια φιγούρα σε ένα αναδυόμενο βιβλίο.

Αν και οι θεωρητικοί αρχικά αντιλήφθηκαν την ολογραφική αρχή ως μια στατική ισοδυναμία μεταξύ σφαίρων υψηλότερης και χαμηλότερης διάστασης, ορισμένοι πιστεύουν ότι μπορεί να είναι μια δυναμική διαδικασία. Το σύστημα 2-D μπορεί να ξεκινήσει σε μια διαταραγμένη κατάσταση, χωρίς συντονισμό μεταξύ των διαφορετικών στοιχείων του. Όπως το μερικώς φωτισμένο ολόγραμμα του Perry, δεν προκαλεί μια τρίτη διάσταση. Σταδιακά το σύστημα γίνεται τακτοποιημένο, σαν να φωτίζεται το ολόγραμμα σε μια ευρύτερη περιοχή, έτσι ώστε η τρίτη διάσταση να κυλά προς τα έξω. Αυτός μπορεί να είναι ο τρόπος με τον οποίο εμφανίστηκε το διάστημα στη Μεγάλη Έκρηξη και, αντίστροφα, πώς βυθίζεται σε μια μαύρη τρύπα.

Πάνω από όλα, ένα ολόγραμμα είναι ένα καταπληκτικό πράγμα. Είτε νύχια, είτε μολύβια ή γαλαξίες, σας κάνει να πείτε "Ουάου". Και αυτή ακριβώς είναι η αντίδραση που θέλουν οι φυσικοί να έχετε όταν ο χώρος υλοποιείται από την έλλειψη χώρου.

Ο George Musser είναι βραβευμένος επιστημονικός συγγραφέας και συγγραφέας του Απόκοσμη δράση σε απόσταση και The Compete Idiot’s Guide to String Theory. Ακολουθήστε τον στο @gmusser