Κβαντική υφή του Χωροχρόνου. Ένα άλλο Σύμπαν!

Στη Νευτώνεια φυσική, ο χρόνος και ο χώρος συγκροτούν ένα υπόβαθρο, όπου συμβαίνουν τα φαινόμενα και τα γεγονότα, το οποίο όμως δεν επηρεάζεται από αυτά. Ο χρόνος ήταν διαχωρισμένος από τον χώρο.

Με την εμφάνιση της θεωρίας της γενικής σχετικότητας, ο χώρος συνδυάστηκε και ενσωματώθηκε με τον χρόνο, στον χωροχρόνο, ο οποίος όμως παραμορφώνεται από την ύπαρξη της ύλης και της ενέργειας.

Στην κβαντική μηχανική, ο χωροχρόνος παραμένει καθορισμένος και σταθερός,
ενώ η ύλη γίνεται ακαθόριστη. Οι τροχιές των υλικών σωματιδίων μπορούν να εκφραστούν μόνο ως “νέφη” πιθανοτήτων.

Έρχεται τώρα η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, γνωστή ως βαρύτητα βρόχων και κβαντική γεωμετρία, ως μία κβαντική θεωρία του χωροχρόνου, η οποία προσπαθεί να συμφιλιώσει τις φαινομενικά ασυμβίβαστες θεωρίες της κβαντομηχανικής και της γενικής σχετικότητας. Η κβαντική βαρύτητα βρόχων θεωρεί ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι κβαντοποιημένοι και ακριβώς όπως η ύλη, συγκροτούνται από ελάχιστες και διακριτές – δηλαδή, κβαντισμένες – ποσότητες.

Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, η οποία συνδυάζει τα χαρακτηριστικά της κβαντικής θεωρίας και της βαρύτητας, ο χωροχρόνος πρέπει να είναι και παραμορφώσιμος και ‘συγκεχυμένος’.
Το χωροχρονικό, πλέον, συνεχές αντικαθίσταται από έναν κόσμο ο οποίος αποτελείται από μικροσκοπικά, αδιαίρετα “άτομα” χώρου και χρόνου. Στην νέα θεωρία το μήκος, η επιφάνεια και ο όγκος του χώρου δεν μπορούν να έχουν μέγεθος μικρότερο από κάποιες τιμές, οι οποίες προσδιορίζονται από το μήκος Planck, που ισούται με 10-33εκατοστά, ενώ κάθε“κβάντο χρόνου” έχει μέγεθος που αντιστοιχεί στον χρόνο Planck:10-43 δευτερόλεπτα.

Οι μονάδες Planck αντιστοιχούν σε μία εποχή – πολύ κοντά στη Μεγάλη Έκρηξη – κατά την οποία η βαρύτητα ήταν ενοποιημένη με τις άλλες τρεις αλληλεπιδράσεις της φύσης, την ηλεκτρομαγνητική, την ισχυρή και ασθενή πυρηνική.
Επομένως ένα “κβάντο όγκου”, δηλαδή ο μικρότερος όγκος αυτού του κβαντισμένου χώρου, είναι 10-99 κυβικά εκατοστόμετρα και αντιστοιχεί σε ένα κόμβο, που το φως χρειάζεται χρόνο 10-43 δευτερόλεπτα, για να τον διασχίσει.

Επειδή αυτές οι μονάδες όγκου είναι πάρα πολύ μικρές, μπορούν να παρασταθούν με σημεία, από τα οποία ξεκινούν έξι (6) γραμμές ως έδρες του κύβου. Όταν δύο τέτοιοι κύβοι συνδέονται, τότε παριστάνονται με δύο τελείες που ενώνονται με μία γραμμή, η οποία συμβολίζει την κοινή τους έδρα, ενώ άλλες 5 γραμμές προεξέχουν από την κάθε τελεία.
Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα δίκτυο, λεγόμενο “δίκτυο σπιν”, τέτοιων κύβων, κβάντων χώρου, ο ιστός δηλαδή του μακροσκοπικού χώρου, όπως εμείς τον κατανοούμε. Οι συνδυασμοί, βέβαια, μπορεί να είναι πολύπλοκοι και εκτός από κύβους να σχηματίζουν και άλλα πολύεδρα!

Τα δίκτυα σπιν που περιγράφουν τον χώρο στην κβαντική βαρύτητα μπορούν να συμπεριλάβουν και την έννοια του χωροχρόνου. Με την προσθήκη μίας νέας διάστασης του “χρόνου”, οι γραμμές των δικτύων σπιν μετατρέπονται σε δισδιάστατες επιφάνειες, ενώ τα σημεία μεταβάλλονται σε γραμμές, σχηματίζοντας ένα ακόμη πιο πολύπλοκο μωσαϊκό, το οποίο αποκαλείται “αφρός σπιν”. Κάθε δίκτυο σπιν θυμίζει ένα στιγμιότυπο, μία “παγωμένη” στιγμή του Σύμπαντος

Τα μαθηματικά που περιγράφουν τις διάφορες κβαντικές καταστάσεις του χώρου προσδιορίζουν τον τρόπο με τον οποίο ενώνονται κάθε φορά μεταξύ τους αυτές οι τελείες και οι γραμμές. Κάθε τέτοιο διάγραμμα αντιπροσωπεύει και μια διαφορετική κβαντική κατάσταση.

Αν θεωρήσουμε το δίκτυο των σπιν ότι δημιουργεί τον χώρο και την ύλη, τότε ο χώρος παύει να είναι ένας τόπος όπου συμβαίνει η κίνηση των σωματιδίων, αλλά αντίθετα γίνεται ένα καλειδοσκόπιο συνεχών αλλαγών δομών και διαδικασιών.
Στην εικόνα αυτή δεν υπάρχουν αντικείμενα, παρά μόνο γεωμετρικές σχέσεις.

Οι κώνοι φωτός μέσα στον χώρο
(Πάνω ο κώνος του μέλλοντος – στο κέντρο το τώρα, το παρόν – κάτω ο κώνος του παρελθόντος)
Οι “κώνοι φωτός” δημιουργούνται από τη γραφική παράσταση της τροχιάς του φωτός σε συνάρτηση με τον χρόνο και ορίζει τις περιοχές του χωροχρόνου, όπου το φως ή οτιδήποτε άλλο σωμάτιο μπορεί να φτάσει σε κάποιο γεγονός. Ο τρισδιάστατος χώρος εδώ έχει απλουστευτεί μόνο σε δύο διαστάσεις, ορίζει όλες τις παρελθοντικές και μελλοντικές συνδέσεις ενός γεγονότος. Οι κώνοι φωτός μάς λένε ότι η αιτία προηγείται του αποτελέσματος.

Δεν είναι προφανές ότι οι κώνοι φωτός εμπλέκονται στα δίκτυα των σπιν. Τα δίκτυα αυτά διέπονται από τους νόμους της κβαντομηχανικής. Σ’ αυτή τη χώρα της απροσδιοριστίας, κάθε δίκτυο έχει τη δυνατότητα να εξελίσσεται σε άπειρα καινούρια, χωρίς να είναι αναγκασμένο να υπακούει στην αιτιότητα. Όμως βρέθηκε ότι με το να βάλει κανείς κώνους φωτός στους κόμβους των δικτύων, η εξέλιξή τους έγινε πεπερασμένη και δεν καταργείται η αιτιότητα.

Ολόκληρο το Σύμπαν αναπαριστάνεται από ένα δίκτυο σπiν. Στην κβαντική φυσική, όμως, τα αντικείμενα στο σύμπαν προσδιορίζονται ακριβώς μόνο μετά από μέτρηση.
Τότε όμως πρέπει να βρεθεί ο παρατηρητής εκτός του Σύμπαντος!

Θεωρείται ότι το Σύμπαν περιέχει τους παρατηρητές του στο εσωτερικό, οι οποίοι παριστάνονται ως κόμβοι στο δίκτυο. Οι κώνοι φωτός που εισάγουν την αιτιότητα στον κβαντικό χωροχρόνο, θα μπορούσαν να προσδιορίσουν την προοπτική κάθε παρατηρητή.

Επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη, ο κάθε παρατηρητής μπορεί να δει μόνο μία περιορισμένη όψη του Σύμπαντος. Βέβαια, πρέπει να γνωρίζουμε ότι οι ταχύτητες, έξω από τους κώνους φωτός του αισθητού Σύμπαντος, είναι μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός! Οπότε διαφοροποιούνται οι δυνατότητας παρατήρησης!

Δεν υπάρχει παρατηρητής μέσα στο Σύμπαν, ο οποίος να έχει πρόσβαση σε ολόκληρη την πληροφορία. Μπορεί εντούτοις να κατασκευάσει ένα πορτραίτο του Σύμπαντος βασισμένο στη μερική πληροφορία που μπορεί να λαμβάνει, πόσο μάλλον όταν το Σύμπαν είναι ένα Ολόγραμμα!

Τα φωτόνια από τις μακρινές εκρήξεις ακτίνων γάμμα επιβεβαιώνουν τον Αϊνστάιν ότι ταξιδεύουν με σταθερή ταχύτητα

Επιστήμονες που στο παρελθόν είχαν κάνει μια νύξη ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις στον χωροχρονικό ιστό του σύμπαντος επιβραδύνουν την ταχύτητα του φωτός, δεν επιβεβαιώνονται από τις παρατηρήσεις του τηλεσκοπίου Fermi της NASA. Οι νέες μετρήσεις είναι αντίθετες με το αποτέλεσμα του 2005 που υποστήριξαν την ιδέα ότι ο χωροχρόνος δεν είναι ομαλός.

Στην εικόνα διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός από μια μακρινή έκρηξη ακτίνων-γ ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα, έως τις κβαντικές κλίμακες

Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν λέει ότι όλες οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες ταξιδεύουν στο κενό με την ταχύτητα του φωτός. Αυτή η ταχύτητα προβλέπεται να είναι σταθερή, ανεξάρτητα από την ενέργεια (συχνότητα) της ακτινοβολίας.

Ωστόσο, το 2005, επιστήμονες στο τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα MAGIC στις Καναρίους Νήσους πρότειναν ότι η ταχύτητα του φωτός μπορεί να μην είναι πάντα σταθερή. Το τηλεσκόπιο, το οποίο μέτρησε το φως που απελευθερώθηκε από ένα γαλαξία περίπου 500 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας, διαπίστωσε ότι τα φωτόνια με τη μεγαλύτερη ενέργεια έφτασαν με καθυστέρηση τεσσάρων λεπτών από αυτά με χαμηλότερη ενέργεια.

Κοκκώδες σύμπαν
Η ανακάλυψη αυτή υπαινίχθηκε ότι η ταχύτητα του φωτός μπορεί να αλλάζει ανάλογα με την ενέργεια της. Αυτό όμως το αποτέλεσμα μπορεί να είναι συνεπές με ορισμένες θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας, που προσπαθούν να ενοποιήσουν τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Αυτά τα μοντέλα υποθέτουν πως ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι ομαλά. Αντίθετα, σύμφωνα με αυτά τα μοντέλα, ο χωροχρόνος είναι εγγενώς κοκκώδης, που ταλαντεύεται ταχύτατα σε αποστάσεις περίπου 10-35 μέτρων, το γνωστό μήκο ή κλίμακα του Planck.

Εάν ο χωροχρόνος έχει κοκκώδη υφή, τότε τα υψηλότερης ενέργειας φωτόνια θα κινούνται πιο αργά από ό,τι τα χαμηλότερης ενέργειας. Αυτό συμβαίνει γιατί τα φωτόνια με την υψηλότερη ενέργεια έχουν μικρότερα μήκη κύματος, το οποίο τις καθιστά πιο ευαίσθητες στις μικροσκοπικές διακυμάνσεις στο χωροχρόνο.

Στην παραπάνω εικόνα ένα φωτόνιο (μωβ) μεταφέρει 1 εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από ένα άλλο φωτόνιο με χρώμα κίτρινο. Κάποιοι θεωρητικοί προβλέπουν πως το ταξίδι καθυστερεί για τα φωτόνια με υψηλή ενέργεια, γιατί αλληλεπιδρούν ισχυρά με την προτεινόμενη αφρώδη φύση του χωροχρόνου. Στα πειραματικά δεδομένα του τηλεσκοπίου Fermi τα δύο φωτόνια από την έκρηξη ακτίνων γάμμα απέτυχαν να δείξουν αυτό το φαινόμενο, απομακρύνοντας έτσι κάποιες προσεγγίσεις για μια νέα θεωρία της βαρύτητας.

Ωστόσο, η υστέρηση που βρήκε το MAGIC ήταν προφανώς πολύ μεγάλη για να εξηγηθεί εύκολα από την κοκκώδη υφή στην κβαντική κλίμακα. Εάν η καθυστέρηση είχε προκληθεί από την διακυμάνσεις στον χωροχρόνο, θα έπρεπε να συμβεί σε κλίμακες πάνω από 10 φορές μεγαλύτερες από την κλίμακα Planck.
«Αυτό το αινιγματικό στοιχείο περιφερόταν στην κοινότητα της κβαντικής βαρύτητας για περισσότερο από ένα χρόνο τώρα, με μια ελπίδα για την προοδευτική πλευρά, και πόνους στο στομάχι για τη συντηρητική πλευρά», λέει ο φυσικός Giovanni Amelino-Camelia του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης, στην Ιταλία.

Τώρα όμως νέες παρατηρήσεις δείχνουν πως η κβαντική βαρύτητα, δεν μπορεί να ευθύνεται για την καθυστέρηση που παρατηρήθηκε στον χρόνο που ανίχνευσε το MAGIC. Έτσι, δύο φωτόνια από μια ισχυρή έκρηξη ακτίνων-γ, κάπου 7 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, ανιχνεύθηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi της NASA με χρονική καθυστέρηση μόνο εννέα δεκάτων του δευτερολέπτου και δεν προκύπτουν έτσι αποδείξεις για μια υστέρηση μεταξύ φωτονίων διαφόρων ενεργειών.

«Έχουμε τώρα λιγότερους πόνους στο στομάχι,» λέει ο Amelino-Camelia. «Τα δεδομένα του Fermi απέδειξαν πως τα δεδομένα του MAGIC δεν μπορούν να ερμηνευθούν με αυτόν τον τρόπο.»
Η μέτρηση του Fermi είναι η πιο αυστηρή άμεση παρατήρηση για το πόσο μπορεί να μεταβάλλεται η ταχύτητα του φωτός ανάλογα με την ενέργεια, λέει ο Jonathan Granot από το Πανεπιστήμιο του Hertfordshire στην Αγγλία, ο οποίος ηγήθηκε της ανάλυσης της έκρηξης. «Για πρώτη φορά, μπορούμε να θέσουμε το όριο στην κλίμακα της ενέργειας στην οποία τα κβαντικά φαινόμενα θα μπορούσαν να αλλοιώσουν τη γεωμετρία του χωροχρόνου.»

Εξήγηση
Η χρονική καθυστέρηση στο MAGIC μπορεί να οφείλεται σε μια αστροφυσική διαδικασία, όπου τα σωματίδια επιταχύνονται μέσα σε τεράστιες πηγές ενέργειας στο εσωτερικό των γαλαξιών. Κάποιοι υπολογισμοί που έγιναν μετά το 2005 για το αποτέλεσμα του MAGIC έδειξαν ότι είναι δυνατόν να παραχθούν εκλάμψεις που να ελευθερώνουν ακτινοβολία χαμηλότερης ενέργειας πριν από την ακτινοβολία υψηλότερης ενέργειας, σύμφωνα με τον συνεργάτη του MAGIC Robert Wagner από το Ινστιτούτο Max Planck στο Μόναχο. «Νομίζω ότι αυτό που μπορούμε να πούμε προς το παρόν είναι ότι οι συνέπειες της κβαντικής βαρύτητας δεν μπορούν να είναι το κυρίαρχο αποτέλεσμα», λέει.

Το αποτέλεσμα αυτό εν τούτοις δεν επέφερε κατ ανάγκη πλήγμα στην κβαντική βαρύτητα. Μόνο ένα υποσύνολο των μοντέλων της προβλέπουν το αποτέλεσμα αυτό του MAGIC, και «ενώ φαίνεται λογικό να περιμένουμε ότι η διακύμανση της ταχύτητας του φωτός ανάλογα με την ενέργεια είναι ένα σημάδι του κβαντικού χωροχρόνου, δεν υπάρχει καμιά ανεπτυγμένη θεωρία του κβαντισμένου χωροχρόνου που να κάνει καθαρά την πρόβλεψη αυτή,» αναφέρει ο Lee Smolin του Ιδρύματος Perimeter πάνω στη θεωρητική φυσική στον Καναδά.

Επιπλέον, θα απαιτηθούν ακόμη πιο ακριβείς μετρήσεις από το τηλεσκόπιο Fermi για να αποκλειστεί τελείως η πιθανότητα ότι το φως μπορεί να αλλάζει την ταχύτητά του ανάλογα με την ενέργεια του. «Εάν υπάρχει ένα φαινόμενο, το πείραμα βρίσκεται τώρα στο κατώτατο όριο της κλίμακας, όπου το αποτέλεσμα είναι αναμενόμενο, και υπάρχει η συναρπαστική προοπτική ότι αυτό θα μπορούσε να ανακαλυφθεί κατά τα επόμενα χρόνια», πιστεύει ο Smolin.

Ταξίδια στο χρόνο και στο χώρο μέσω «σκουληκότρυπας»
Μεταξύ δύο περιοχών του αναδιπλωμένου Σύμπαντος, μπορεί να σχηματιστεί σκουληκότρυπα (κοσμική σήραγγα), η οποία συνδέει μια λευκή με μια μαύρη τρύπα. Το φως ακολουθεί την καμπυλότητα του χώρου. Ενας ταξιδιώτης του Διαστήματος θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει μια κοσμική σήραγγα που είναι ακίνητη σε σχέση με τη Γη , για να κόψει δρόμο κατά τη μετάβασή του απο το γεγονός Α στο Β και μετά να επιστρέψει ,μέσω μιας κινούμενης κοσμικής σήραγγας , στη Γη πριν από τη στιγμή που ξεκίνησε!!

Η σχέση του χρόνου με εμάς είναι πολύ μικρή τόση μικρή όση η ύπαρξη μας σε σχέση με όλο το σύμπαν. Και αυτό το λέω γιατί η ζωή μας είναι το 1/1.000.000.000.000. ενός δευτερόλεπτου του σύμπαντος όλου. Οπότε δεν γίνεται να γιορτάζουμε το 2000 και να λέμε ότι όλα που συμβαίνουν με τον δικό μας κόσμο είναι για μας ,γιατί για το σύμπαν είναι ένα τίποτα ο χρόνος μας .Τώρα υπάρχουν θεωρίες για ταξίδια στο χρόνο σύμφωνα με τον τύπο E=mc2 που λέει ότι όταν πλησιάζεις την ταχύτητα του φωτός μεταφέρεσαι στο χρόνο και το χορό .Λοιπόν αυτό που συμβαίνει στην πραγματικότητα είναι το εξής .Όταν μια οντότητα φτάσει το φως τότε ενώνεται με την αντί-ύλη του και μεταφέρονται σε μια διάσταση που ο χρόνος σταματά. Γιατί όμως σταματά ;

Λοιπόν εδώ είναι η απάντηση η οποία είναι ότι πλέον το ίδιο το περιβάλλον δεν σε αναγνωρίζει σαν δικό του υλικό αλλά κάτι που δεν υπάρχει γιατί έχει μεγάλη ταχύτητα και δεν μπορεί να σε φθείρει άρα δεν υπάρχεις για αυτό. Επίσης όταν φτάνεις την ταχύτητα του φωτός εξαϋλώνεσαι και γίνεσαι διάσπαρτα μόρια και δεν μπορείς να φθαρείς από την ηλικία γιατί δεν έχεις ύλη (γι αυτό βλέπεις ότι δεν γερνούν όσοι πάνε στο χρόνο π.χ στις ταινίες) και ακόμη ότι δεν σε επηρεάζει η βαρύτητα ,τίποτα ,μόνο η μαύρες τρύπες.
Η έννοια του χρόνου αντικατοπτρίζει την ακολουθία των γεγονότων.

Στην εφαρμοσμένη ψυχολογία, χρόνος αντίδρασης είναι εκείνος που παρεμβάλλεται ανάμεσα σ’ ένα ερέθισμα (για παράδειγμα οπτικό ή ακουστικό) και στην αντίδραση από το άτομο που εξετάζεται.


Αστρονομία
Κλίμακα χρόνων είναι μια αδιάκοπη ακολουθία φαινομένων, που επιτρέπει την απόδοση ημερομηνίας σε άλλα γεγονότα. Ενότητα χρόνου είναι η διάρκεια της διακοπής του χρόνου, που χωρίζει δυο επιλεγμένα φαινόμενα κατά την κλίμακα των χρόνων. Για πολλούς αιώνες, τέτοια φαινόμενα ήταν τα αστρονομικά, που συνδέονται με την εναλλαγή και την περιστροφή της γης. Η ενότητα χρόνου (χρόνος, ημέρα, δευτερόλεπτο κτλ.) προέρχεται από τον έλεγχο αναρίθμητων παρατηρήσεων. Με τη χρήση δειγματοληπτικών συχνοτήτων σήμερα έχουμε μια κλίμακα χρόνων, που ονομάζεται ατομικός χρόνος, και εξαιρείται από τα αστρονομικά φαινόμενα που υπολογίζονται για τον υπολογισμό του χρόνου. Ο ατομικός διεθνής χρόνος (ΤΑΙ) χρησιμοποιεί σαν μονάδα μέτρησης το δευτερόλεπτο του Διεθνούς συστήματος (SI), γνωστό για την ακρίβεια του 10-13. Κλίμακες χρόνου συμβατικές, που ακόμα χρησιμοποιούνται και βασίζονται σε αστρονομικά φαινόμενα είναι εκείνες που βασίζονται στον αστρικό χρόνο και στον ηλιακό χρόνο.

Το πρώτο έχει μονάδα την ηλιακή ημέρα και το δεύτερο την αστρική ημέρα. Και οι δύο είναι χρόνοι τοπικοί, αφού η αξία τους εξαρτάται από τη θέση του παρατηρητή πάνω στη γη, και από την ανάλογη συγχώνευση του ωραρίου. Ο παγκόσμιος χρόνος (TU) είναι ο τοπικός χρόνος, ο μέσος ηλιακός, του μεσημβρινού που περνάει από το Γκρήνουϊτς.

Φιλοσοφία
Από φιλοσοφική άποψη, μπορούμε να διακρίνουμε τρεις βασικές αντιλήψεις του χρόνου: 1) ο χρόνος ως αντικειμενική τάξη, με την οποία μετριέται η κίνηση. 2) Ο χρόνος ως αντίληψη της ακολουθίας συνειδησιακών καταστάσεων, συνδεδεμένων μεταξύ τους, που περιέχονται στη μνήμη και τη φαντασία. Αυτή η υποκειμενική διάσταση του χρόνου, που επισημάνθηκε από τον Αυγουστίνο, ήταν παρούσα στη σκέψη του Μπεργκσόν. 3)

Ο χρόνος ως δομή της πιθανότητας και του σχεδιασμού, που υπάρχει στην υπαρξιστική σκέψη. Η θεωρία που ταυτίζει το χρόνο με την τάξη της κίνησης είναι η πιο παλιά. Τη βρίσκουμε στην πυθαγορική και πλατωνική θεωρία και συναντούμε τον κλασσικό ορισμό της στον Αριστοτέλη: χρόνος είναι η σειρά της κίνησης σύμφωνα με το πριν και το μετά. Στη σημασία της διάταξης ως διαδοχής ομογενών γεγονότων, αυτή την ιδέα του χρόνου την πήρε η σύγχρονη επιστήμη, και ο Νιούτον την τοποθέτησε στη βάση της μηχανικής.
Φυσική

Σύμφωνα με την αντίληψη της κλασσικής μηχανικής, ο χρόνος θεωρείται τρέχων, ανεξάρτητος από οποιοδήποτε φαινόμενο που συμβαίνει στη φύση και από το σύστημα αναφοράς που χρησιμοποιείται. Πράγματι για τον Νιούτον ο αληθινός χρόνος, απόλυτος και μαθηματικός, για τον εαυτό του και για τη φύση του, τρέχει ομαλά, χωρίς αναφορά σε κάτι έξω από αυτόν. Η κριτική του σχετικισμού υποκατέστησε τον απόλυτο χρόνο με την ιδέα του χρόνου σε σχέση με τον παρατηρητή, φέρνοντας στο φως το φαινόμενο που έχει το όνομα διαστολή χρόνων.

Οι σκουληκότρυπες είναι λύσεις στις εξισώσεις πεδίου του Einstein για τη βαρύτητα που ενεργούν ως «σήραγγες», συνδέοντας σημεία του χωρόχρονου κατά τέτοιο τρόπο ώστε το ταξίδι μεταξύ των σημείων μέσω της σκουληκότρυπας να μπορεί να διαρκέσει πολύ λιγότερο χρόνο από όσο το ταξίδι μέσω του συνηθισμένου χώρου.Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι σκουληκότρυπων που ενδιαφέρουν τους φυσικούς: Οι Λορεντζιανές (Lorentzian) σκουληκότρυπες (από τη Γενική Σχετικότητα) και οι Ευκλείδιες σκουληκότρυπες (από την σωματιδιακή φυσική).

Οι Λορεντζιανές σκουληκότρυπες είναι ουσιαστικά οι συντομότεροι δρόμοι μέσω του χώρου και του χρόνου. Μελετώνται κυρίως από τους εμπειρογνώμονες στη βαρύτητα του Einstein, και εάν υπάρχουν στην πραγματική ζωή θα ήταν περισσότερο-ή-λιγότερο παρόμοιες με τη σκουληκότρυπα στο Star Trek: Deep Space 9. (Αλλά να θυμηθείτε, ότι η ταινία είναι ακριβώς για ψυχαγωγία, έτσι μην προσπαθείτε να εξαγάγεται λεπτομερή φυσική από το DS9. Στην καλύτερη περίπτωση θα σας δώσει μια ασαφή γενική ιδέα για το τι κάνει).

Οι καλές ειδήσεις για τις Λορεντζιανές σκουληκότρυπες είναι ότι, μετά από περίπου δέκα πέντε έτη σκληρής εργασίας, δεν μπορούμε να αποδείξουμε ότι δεν υπάρχουν. Οι κακές ειδήσεις είναι ότι είναι πολύ παράξενα αντικείμενα: Εάν υπάρχουν χρειάζονται μεγάλα ποσά αρνητικής μάζας για να κρατηθούν ανοικτές και να εμποδιστούν από την κατάρρευση. (προσοχή η αρνητική μάζα δεν είναι αντι-ύλη, είναι μια περιοχή όπου η ενέργεια του κόσμου είναι μικρότερη από αυτή του συνηθισμένου κενού -σίγουρα παράξενης ουσίας). Μπορούμε να πάρουμε μικρά ποσά αρνητικής ενέργειας στο εργαστήριο (με το φαινόμενο Casimir), αλλά δεν μπορούμε να πάρουμε με τις παρούσες τεχνολογίες, μεγάλα ποσά αρνητικής ενέργειας, τέτοια που απαιτούνται για να κρατήσουμε σε ένα κανονικό μέγεθος την Λορεντζιανή σκουληκότρυπα. (Άστε που μπορούν να υπάρχουν βαθιά ζητήματα της αρχής που αποτρέπει από εμας να συλλέξουμε πολλή αρνητική ενέργεια σε μια θέση.)

Οι Ευκλείδιες σκουληκότρυπες είναι ακόμα πιό παράξενες: ζουν στο «φανταστικό χρόνο» και είναι πραγματικά εικονικές κβαντικές μηχανικές διαδικασίες. Αυτές οι Ευκλείδιες σκουληκότρυπες είναι ενδιαφέρουσες κυρίως στους φυσικούς σωματιδίων (θεωρητικοί κβαντικών πεδίων). Δεν μπορείτε να τους δώσετε μια συμπαθητική κλασσική ερμηνεία με όρους της κλασσικής βαρύτητας πεδίου, και δυστυχώς πρέπει να ξέρετε πολλή κβαντική φυσική για να εκτιμήσετε ακόμη και τις βασικές ιδιότητές τους.

Η ιστορία τους
Οι πρώτες σκουληκότρυπες βρέθηκαν με τη μελέτη της μαθηματικής λύσης για τις μαύρες τρύπες. Εκεί διαπιστώθηκε ότι η γεωμετρική ερμηνεία της λύσης αυτής έμοιαζε με το σχήμα δύο μαύρων οπών (δύο στομάτων) που συνδέθηκαν με έναν «λαιμό» (γνωστή ως γέφυρα Einstein-Rosen). λαιμός είναι ένα δυναμικό αντικείμενοου συνδέεται με τις δύο τρύπες που πιάνονται εξαιρετικά γρήγορα με μια στενή σύνδεση μεταξύ τους.

Τι ακριβώς προκαλεί όμως μια μαύρη τρύπα στο χωροχρόνο; Η Σχετικότητα προβλέπει ότι το κέντρο μιας μαύρης τρύπας είναι ένα σημείο άπειρης πυκνότητας (μια χωροχρονική ανωμαλία) όπου οι συνηθισμένοι νόμοι της Φυσικής δεν ισχύουν πλέον. Ο χρόνος, ο χώρος, η ύλη και η ενέργεια δεν έχουν στην περιοχή μιας ανωμαλίας καλά καθορισμένο νόημα.

Οι εξισώσεις του Einstein δείχνουν ότι μια τέτοια ανωμαλία δεν προκαλεί απλά μια λακκούβα στο φανταστικό επίπεδο φύλλο του χωροχρόνου, αλλά δημιουργεί ένα τούνελ που τρυπάει το επίπεδο φύλλο και στιγμιαία μας συνδέει με την άλλη του πλευρά. Που βρίσκεται η άλλη του πλευρά; Μπορεί να βρίσκεται κάπου αλλού στο χωροχρόνο, είτε στο παρελθόν είτε στο μέλλον ή ακόμη να βρίσκεται και σε ένα άλλο Σύμπαν. Υποτίθεται ότι στα μυθιστορήματα οι «Κυρίαρχοι του Χρόνου» είναι εκείνοι που πρώτοι κατάφεραν να τιθασεύσουν τη δύναμη των μαύρων οπών για να αρχίσουν τα πειράματά τους με το ταξίδι στο χρόνο. Αν μπορούσατε να περάσετε ένα διαστημόπλοιο μέσα από ένα τέτοιο τούνελ ή αλλιώς σκουληκότρυπα όπως λέγεται, θα είχατε ανακαλύψει το μυστικό των ταξιδιών στο χρόνο. Κάτι τέτοιο είναι φυσικά αδύνατο με την παρούσα τεχνολογία αλλά στο μέλλον ποιος ξέρει;

Οι θεωρητικοί έχουν βρεί από τότε κι άλλες λύσεις σκουληκότρυπας. Αυτές οι λύσεις συνδέουν διάφορες γεωμετρικές μορφές σε καθένα στόμιο της σκουληκότρυπας. Μια καταπληκτική πτυχή της σκουληκότρυπας είναι ότι επειδή μπορούν να συμπεριφερθούν ως ο «συντομότερος δρόμος» του χωρόχρονου, αυτές πρέπει να επιτρέπουν το χρονικό ταξίδι προς τα πίσω. Αυτή η ιδιότητα υπονοεί ότι αν μπορούσαμε να ταξιδεψουμε γρηγορότερα από το φως, θα μπορούσαμε να επικοινωνήσουμε με το παρελθόν.

Είναι βέβαια περιτό να λεχθεί, ότι αυτή ακριβώς η δυνατότητα είναι που προκαλεί διαταραχές. Το ταξίδι στο χρόνο θα επέτρεπε ποικίλες παράδοξες καταστάσεις, όπως να επιστρέψετε στο παρελθόν και να σκοτώσετε τον παππού σας προτού ο πατέρας σας γεννηθεί (το παράδοξο των παππούδων). Η ερώτηση που προκύπτει τώρα είναι εάν θα ήταν δυνατό να κατασκευαστεί πραγματικά μια σκουληκότρυπα και κινώντας την κατά τέτοιο τρόπο ώστε να γινόταν μια χρησιμοποιήσιμη χρονική μηχανή.

Το ενδιαφέρον όμως για τέτοιες λύσεις σκουληκότρυπας στη Γενική Σχετικότητα υποκινήθηκε όταν εξέτασε ο Michael Morris και o Kip Thorne του Τεχνολογικού ιδρύματος της Καλιφόρνιας τις γενικές ιδιότητες που είναι απαραίτητες για μια σκουληκότρυπα για να παραμείνει ανοικτή. Διαπίστωσαν ότι η γεωμετρία μιας σκουληκότρυπας είναι εγγενώς ασταθής. Και ότι άν μια σκουληκότρυπα είναι στατική και αμετάβλητη στο χρόνο, τότε πρέπει να περιέχει «εξωτική» ύλη. Τέτοια ύλη έχει αρνητική ενεργειακή πυκνότητα και μια μεγάλη αρητική πίεση — μεγαλύτερη σε μέγεθος από την ενεργειακή πυκνόηα. Τέτοια ύλη καλείται «εξωτική» καθώς αυτή μοιάζει πολύ λίγο με όλες τις μορφές της γνωστής ύλης. Όλες οι μορφές της ύλης γνωστές στους φυσικούς και τους χημικούς έχουν θετική ενεργειακή πυκνότητα (ή, ισοδύναμα, θετική μάζα), και πιέσεις ή εντάσεις που είναι πάντα μικρότερες από την ενεργειακή πυκνότητα σε μέγεθος. Σε μια τεντωμένη λαστιχένια ζώνη, παραδείγματος χάριν, η πυκνότητα είναι 1014 μεγαλύτερη από την τάση.


Η μια πιθανή πηγή «εξωτικής» ύλης που είναι γνωστή στη θεωρητική φυσική, βρίσκεται στη συμπεριφορά ορισμένων κενών καταστάσεων στην κβαντική θεωρία πεδίων. Δηλαδή οι κβαντικές διακυμάνσεις σε διάφορα πεδία να είναι σε θέση να έχουν αρνητική ενεργειακή πυκνότητα. Σε αυτή τη δυνατότητα εστιάζεται η θεωρητική έρευνας που περιλαμβάνει σκουληκότρυπες.

Τέτοια έρευνα έχει δείξει ότι είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν τα κβαντικά αποτελέσματα για να ανοίξει μια σκουληκότρυπα πολύ μεγαλύτερη από το χαρακτηριστικό μήκος που συνδέεται με την κβαντική βαρύτητα, γνωστό ως μήκος Planck (περίπου10 -33 εκατοστόμετρα).

Εάν η σκουληκότρυπα δεν ήταν πολύ μεγαλύτερη από αυτό το μέγεθος, τότε όχι μόνο θα ήταν άχρηστη για τη μεταφορά των χωροδιαστημοπλοίων, αλλά θα απαιτούταν βαντική βαρύτητα για να περιγράψει την τρύπα.

Ο Stephen Hawking υπέθεσε ότι ενώ οι σκουληκότρυπες μπορούν να δημιουργηθούν, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το χρονικό ταξίδι. Ακόμη και η εξωτική ύλη που σταθεροποιεί την σκουληκότρυπα ενάντια στις αστάθειές της, υποστήριξε, αν εισαχθεί ένα τέτοιο σωματίδιο ή ακόμη και ένα φωτόνιο μέσα σε αυτή θα την αποσταθεροποιήσει αρκετά γρήγορα ώστε να αποτρέψει τη χρήση της. Αυτό το θέμα είναι γνωστό ως η υπόθεση χρονικής προστασίας. Σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, τα κβαντικά αποτελέσματα θα συνωμοτήσουν ώστε να αποτρέψουν αποτελεσματικά το χρονικό ταξίδι ακόμα και όταν μοιάζει ότι μπορεί να γίνει με την κλασσική φυσική.

Για τους σκοπούς της επιστημονικής φαντασίας, συνήθως υποτίθεται ότι μία χωροχρονική σκουληκότρυπα αντιπροσωπεύει τον πιο σύντομο δρόμο — ότι με το ταξίδι μιας μικρής απόστασης μέσω της σήραγγας-σκουληκότρυπας, θα καταλήξετε σε έναν προορισμό που θα μπορούσε να είναι έτη φωτός μακριά μέσω του συμβατικού χώρου. Από την άποψη της θεωρητικής φυσικής των σκουληκότρυπων, εντούτοις, δεν υπάρχει κανένας ιδιαίτερος λόγος για τον οποίο η απόσταση πρέπει να είναι πιό σύντομη, μπορεί μέσω της σκουληκότρυπας να είναι η μακρύτερη διαδρομή.

Οι σκουληκότρυπες είναι συνήθως μια μεγάλη θεωρητική διασκέδαση, και είναι φαινομενικά οι έγκυρες λύσεις των εξισώσεων του Einstein. Δεν υπάρχει, εντούτοις, κανένα πειραματικό στοιχείο για αυτές.

Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων GEO600 θα ελέγξει την ιδέα του ολογραφικού σύμπαντος
Μήπως ζούμε σε ένα ολογραφικό Σύμπαν; Έχει ο χώρος και ο χρόνος κοκκώδη υφή; Υπάρχει κβαντικός θόρυβος στο χωρόχρονο; Ο αμερικανός φυσικός Craig Hogan είναι πεπεισμένος ότι έχει βρει αποδείξεις γι αυτά στα στοιχεία που έχει συλλέξει ο γερμανοβρετανικός ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων GEO600 – και ότι οι ιδέες του θα μπορούσαν να εξηγήσουν τον μυστηριώδη θόρυβο – ή ολογραφικό θόρυβο κατά τον ίδιο – στα δεδομένα που έχει συλλέξει ο ανιχνευτής, και ο οποίος δεν έχει εξηγηθεί μέχρι σήμερα.

Μπορεί ο ανιχνευτής GEO600 να ακούσει τον κβαντικό θόρυβο του χωροχρόνου;
Κατά τους προσεχείς μήνες θα γίνουν νέα πειράματα που θα αποφέρουν περισσότερα στοιχεία σχετικά με τις παραδοχές του Craig Hogan, όπως:
Για τον έλεγχο της θεωρίας του ολογραφικού θορύβου, η συχνότητα της μέγιστης ευαισθησίας του GEO600 θα μετατεθεί προς όλο και υψηλότερες συχνότητες. Η συχνότητα της μέγιστης ευαισθησίας είναι ο τόνος που ο ανιχνευτής μπορεί να ακούσει καλύτερα. Αυτός συνήθως προσαρμόζεται για να προσφέρει καλύτερη ακρόαση των άστρων που γίνονται σουπερνόβες ή των μαύρων οπών που συγχωνεύονται.

Ακόμη και αν αποδειχθεί ότι ο μυστηριώδης θόρυβος είναι ο ίδιος στις υψηλές συχνότητες, όπως και στις χαμηλότερες, αυτό δεν θα αποτελεί απόδειξη για την υπόθεση Hogan. Ωστόσο, θα έδινε ένα ισχυρό κίνητρο και για άλλη μελέτη. Η ευαισθησία του GEO600 θα βελτιωθεί σημαντικά με τη χρήση του «συμπιεσμένου κενού» και από την εγκατάσταση ενός φίλτρου λειτουργίας σε ένα νέο θάλαμο κενού. Η τεχνολογία του «συμπιεσμένου κενού» έχει εκλεπτυνθεί ιδιαίτερα στο Ανόβερο που βρίσκεται ο GEO600 και θα χρησιμοποιηθεί για πρώτη φορά σε ένα ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων.

Οι ερευνητές στον ανιχνευτή GEO600 πιστεύουν πως την χρονιά που μας έρχεται μπορεί να έχουν κάποια στοιχεία για τον θόρυβο του ολογράμματος, γιατί είναι ο μόνος στον κόσμο που έχει τη δυνατότητα να ελέγξει αυτή την αμφιλεγόμενη θεωρία. Σε αντίθεση με τα άλλα μεγάλα συμβολόμετρα με λέιζερ που εξετάζουν την υπόθεση των βαρυτικών κυμάτων, ο GEO600 αντιδρά κυρίως με ευαισθησία στην πλευρική κίνηση του διαχωριστή των ακτίνων λέιζερ, διότι είναι κατασκευασμένος χρησιμοποιώντας την αρχή της ανακύκλωσης του σήματος.

Κανονικά αυτό είναι ενοχλητικό, όμως πρέπει το σήμα της ανακύκλωσης να αντισταθμίσει τα μήκη του μικρότερου βραχίονα σε σχέση με άλλους ανιχνευτές. Ο θόρυβος του ολογράμματος, ωστόσο, παράγει ακριβώς ένα τέτοιο πλευρικό μήνυμα και έτσι το μειονέκτημα γίνεται πλεονέκτημα σε αυτή την περίπτωση. Θα μπορούσε να πει κανείς ότι το γεγονός αυτό έχει τοποθετήσει τον GEO600 στο επίκεντρο της βασικής έρευνας.

Ολογραφική Αρχή
Η ολογραφική αρχή είναι μια ιδιότητα των θεωριών κβαντικής βαρύτητας, η οποία επιλύει το πληροφοριακό παράδοξο των μαύρων τρυπών στα πλαίσια της θεωρίας των χορδών.
Η ολογραφική αρχή προτάθηκε αρχικά από τον νομπελίστα φυσικό Gerard ‘t Hooft αλλά η ακριβής ερμηνεία της, στο πλαίσιο της θεωρίας των χορδών, δόθηκε από τον Leonard Susskind. Σύμφωνα με την αρχή αυτή, το σύνολο της πληροφορίας που περιέχεται σε μια περιοχή του χώρου μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι κωδικοποιημένο πάνω στην επιφάνεια που αποτελεί το σύνορο της περιοχής αυτής.

Η Ολογραφική Αρχή έχει στηριχθεί σε ερευνητικές εργασίες των Jacob Bekenstein και Stephen Hawking σχετικά με τις μαύρες τρύπες. Στα μέσα της δεκαετίας του 70, ο Hawking απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι στην πραγματικότητα «μαύρες» αλλά εκπέμπουν με βραδύ ρυθμό ακτινοβολία, την ακτινοβολία Hawking, γεγονός που τελικά οδηγεί στην εξάτμιση και εξαφάνιση τους.

Αυτό αρχικά δημιούργησε έναν επιστημονικό γρίφο αφού η ακτινοβολία Hawking δεν μεταφέρει πληροφορίες από το εσωτερικό της μαύρης τρύπας αλλά μόνο από την εξωτερική επιφάνεια της, που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Έτσι θεωρήθηκε ότι όταν εξατμιστεί η μαύρη τρύπα, χάνονται όλες οι πληροφορίες σχετικά με το αρχικό άστρο που κατέρρευσε για να σχηματιστεί η μαύρη τρύπα. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την ευρέως επιβεβαιωμένη αρχή ότι η πληροφορία δεν καταστρέφεται. Ο εν λόγω γρίφος είναι γνωστός ως «το πληροφοριακό παράδοξο των μαύρων τρυπών».
Η εργασία του Bekenstein προσέφερε σημαντική βοήθεια για την επίλυση του πληροφοριακού παραδόξου. O Bekenstein ανακάλυψε ότι η εντροπία μιας μαύρης τρύπας, η οποία εκφράζει το πληροφοριακό της περιεχόμενο, είναι ανάλογη με το εμβαδόν της επιφάνειας του ορίζοντα γεγονότων της.

Οι επιστήμονες κάνοντας χρήση της κβαντικής θεωρίας πεδίου, έδειξαν ότι όλες οι πληροφορίες σχετικά με τη μαύρη τρύπα «αποτυπώνονται» στον ορίζοντα γεγονότων της και συγκεκριμένα σε μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις που αναπτύσσονται στον ορίζοντα αυτόν. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, μεταφέρει στους «εξωτερικούς» παρατηρητές όλες τις πληροφορίες σχετικά με τη μαύρη τρύπα και το αρχικό άστρο από το οποίο αυτή προήλθε. Έτσι, δεν υπάρχει απώλεια πληροφορίας καθώς εξατμίζεται η μαύρη τρύπα.


Διαπιστώνουμε λοιπόν ότι όλες οι πληροφορίες ενός τρισδιάστατου αντικειμένου (αρχικό άστρο) αποτυπώνονται στη δισδιάστατη επιφάνεια (ορίζοντας γεγονότων) της μαύρης τρύπας που σχηματίζεται από την κατάρρευση του άστρου, σε αντιστοιχία με την αποτύπωση της τρισδιάστατης εικόνας ενός αντικειμένου σε ένα δισδιάστατο ολόγραμμα.
Οι Susskind και ‘t Hooft επέκτειναν τον προηγούμενο συλλογισμό εφαρμόζοντας τον σε όλο το σύμπαν, στηριζόμενοι στο γεγονός ότι και στο σύμπαν υπάρχει ένας (κοσμικός) ορίζοντας, το όριο πέρα από το οποίο το φως, άρα και η πληροφορία που μεταφέρεται από αυτό, δεν έχει καταφέρει ακόμα να φτάσει στη Γη, στο διάστημα των 13,7 δισεκατομμυρίων ετών που έχουν μεσολαβήσει από τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης.
Επίσης, ο θεωρητικός φυσικός Juan Maldacena έχει διαπιστώσει ότι η ιδέα των Susskind και Ί Hooft είναι προς τη σωστή κατεύθυνση, γιατί όπως έδειξε ο Maldacena ένας υποθετικός κόσμος πέντε διαστάσεων που διέπεται από τους νόμους της θεωρίας των χορδών, είναι ισοδύναμος με έναν κόσμο τεσσάρων διαστάσεων που αποτελεί το σύνορο του πενταδιάστατου κόσμου.


Έτσι, σύμφωνα με την πιο γενική εκδοχή της ολογραφικής αρχής, το σύμπαν ολόκληρο μπορεί να θεωρηθεί ως μια δισδιάστατη δομή πληροφοριών που είναι αποτυπωμένη πάνω στον κοσμολογικό ορίζοντα (δηλαδή πάνω στην κοσμική επιφάνεια που αποτελεί το όριο παρατήρησης), έτσι ώστε ο τρισδιάστατος χώρος που βλέπουμε να αποτελεί απλώς μια εύχρηστη περιγραφή του κόσμου μας σε χαμηλές ενέργειες.
Παρότι η κοσμολογική ολογραφία δεν έχει ακόμα θεμελιωθεί με μαθηματική ακρίβεια, η ιδέα ότι ο κόσμος μας μπορεί να είναι ένα τεράστιο ολόγραμμα είναι ιδιαίτερα ελκυστική για πολλούς επιστήμονες.
Ο Craig Hogan αφού μελέτησε τα δεδομένα από τον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων GEO600, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ίσως βρισκόμαστε μπροστά σε μια από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις που έχουν γίνει στη φυσική τα τελευταία πενήντα χρόνια: στη διαπίστωση ότι το σύμπαν μας ίσως είναι ένα γιγαντιαίο ολόγραμμα.

Αναζητώντας την κοκκώδη υφή του χωροχρόνου
Η μικρότερη δυνατή απόσταση ονομάζεται από τους φυσικούς «μήκος Planck», κάτι σαν το κβάντα του χώρου. Η τιμή της είναι 1,6 x 10-35 m – και είναι αδύνατο να μετρηθεί, ενώ οι καθιερωμένες θεωρίες της φυσικής παύουν να λειτουργούν σε αυτή την κλίμακα. Οι επιστήμονες του ανιχνευτή GEO600 θέλουν να ελέγξουν μια θεωρία του αμερικανού φυσικού Craig Hogan, ο οποίος είναι πεπεισμένος ότι μπορεί να ακούσει τον θόρυβο του χωρικού κβάντα στα δεδομένα που συλλέγει ο ανιχνευτής των βαρυτικών κυμάτων GEO600.

Οι επιστήμονες προσπαθούσαν για πολύ καιρό να εξηγήσουν την προέλευση του μυστηριώδους κοσμικού θορύβου που αποτυπωνόταν στα δεδομένα του ανιχνευτή GEO600. Όμως, ο Hogan είχε εκ των προτέρων προβλέψει την ύπαρξη αυτού του θορύβου, που ονομάστηκε ολογραφικός θόρυβος.
Σύμφωνα με τον Hogan, ο GEO600 αποτύπωσε το θεμελιώδες όριο του χωροχρόνου, το όριο δηλαδή όπου ο χωροχρόνος από συνεχής και ομαλός γίνεται ασυνεχής και «κοκκώδης», ακριβώς όπως συμβαίνει όταν μεγεθύνουμε συνεχώς μια φωτογραφία: από ένα σημείο και μετά, η αρχικά συνεχής εικόνα αναλύεται σε ένα ασυνεχές πλέγμα από κουκκίδες.

Ο Hogan υποδεικνύει ότι τα κάτοπτρα σε ένα συμβολόμετρο κινούνται το ένα σχετικά με το άλλο, με πολύ γρήγορα βήματα αυτής της μικροσκοπικής ποσότητας Planck. Αυτή η μικροσκοπική κίνηση όμως των κατόπτρων συσσωρεύεται με την πάροδο του χρόνου της μέτρησης, σε μια μεγάλη κίνηση που μοιάζει με αυτό που παράγει ένα βαρυτικό κύμα.

Ο Hogan και οι επιστήμονες του GEO600 εν συνεχεία προσπάθησαν να καταλάβουν το αντίστροφο, αν δηλαδή μέσα σε ένα συγκεκριμένο ‘σήμα θορύβου’ στα στοιχεία που καταγράφηκαν από τον ανιχνευτή, μπορούν να εντοπίσουν την κοκκώδη υφή του χώρου και του χρόνου.
Αν η θεωρία του αποδειχθεί σωστή αφενός θα έχουμε προσδιορίσει ότι η υφή του χωροχρόνου δεν είναι συνεχής αλλά είναι κβαντισμένη, και αφετέρου θα βοηθήσει τους θεωρητικούς να ενοποιήσουν την κβαντική μηχανική με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και να καταλήξουν σε μια συνεπή ενοποιημένη θεωρία.

Ο Hogan υποστηρίζει πως το σύμπαν στο οποίο ζούμε δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένα τεράστιο κοσμικό ολόγραμμα. Μπορεί να φαίνεται παράλογη η ιδέα ότι ζούμε σε ένα ολόγραμμα, αλλά μπορεί δικαιολογηθεί με βάση αυτά που ξέρουμε για τις μαύρες τρύπες, ενώ ταυτόχρονα μάλλον συμφωνεί και με γενικότερες θεωρητικές προβλέψεις.

Ο Hogan πιστεύει ότι αν ο χωροχρόνος είναι ένα κοκκώδες ολόγραμμα, τότε μπορούμε να φανταστούμε το σύμπαν σαν μια σφαίρα, η εξωτερική επιφάνεια της οποίας αποτελείται από μικροσκοπικά τετράγωνα με μήκος πλευράς ίσο με το μήκος του Planck και όπου το κάθε μικροσκοπικό τετράγωνο περιέχει μια μονάδα (ένα μπιτ) πληροφορίας.

Η ολογραφική αρχή υποστηρίζει ότι η ποσότητα της πληροφορίας που είναι αποτυπωμένη στην επιφάνεια της σφαίρας, πρέπει να αντιστοιχεί στον αριθμό των μπιτ πληροφορίας που περιέχονται στο εσωτερικό της σφαίρας. Πώς όμως μπορεί να συμβαίνει αυτό όταν ο όγκος του σφαιρικού σύμπαντος είναι πολύ μεγαλύτερος από την εξωτερική του επιφάνεια;

Ο Hogan συνειδητοποίησε ότι για να υπάρχει ο ίδιος αριθμός μπιτ στο εσωτερικό και στην επιφάνεια της σφαίρας του σύμπαντος, οι χωροχρονικοι κόκκοι στο εσωτερικό της σφαίρας θα πρέπει να είναι μεγαλύτεροι από τους αντίστοιχους κόκκους της επιφάνειας. Και ονόμασε το φαινόμενο αυτό «ολογραφική ομίχλη» (holographic blurring).

Κατά συνέπεια, η μικροσκοπική κοκκώδης υφή του χωροχρόνου στο εσωτερικό της σφαίρας του σύμπαντος γίνεται, θεωρητικά τουλάχιστον, διακρίσιμη από τα όργανα παρατήρησης που διαθέτουμε. Έτσι, ενώ το μήκος του Planck είναι υπερβολικά μικρό για να μετρηθεί πειραματικά, η ολογραφική «προβολή» της κοκκώδους υφής του χωροχρόνου μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη, περίπου 10-16 m.

Όταν μάλιστα ο Hogan κατέληξε στο συμπέρασμα αυτό, αναρωτήθηκε πώς θα μπορούσε η ολογραφική αυτή ομίχλη να αποτυπωθεί σε κάποιο πείραμα. Όπως αναφέρει το κρίσιμο σημείο πειραμάτων όπως αυτό του GEO600 είναι η ευαισθησία σε μεταβολές του μήκους που είναι πολύ μικρότερες από τη διάμετρο του πρωτονίου. Έτσι, το ερώτημα που τίθεται είναι αν τέτοια πειράματα θα μπορούσαν να αποτυπώσουν τους χωροχρονικούς κόκκους. Από τους πέντε ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που υπάρχουν σε όλη τη Γη, ο Hogan αντιλήφθηκε ότι ο GEO600 πρέπει να είναι ο πλέον ευαίσθητος όσον αφορά την ανίχνευση της κοκκώδους υφής του χωροχρόνου. Προέβλεψε λοιπόν ότι αν ο διαχωριστής δέσμης του GEO600 μπορούσε να διακρίνει την ασυνεχή δομή του χωροχρόνου, αυτό θα φαινόταν στις μετρήσεις με τη μορφή ενός περίεργου «θορύβου» που θα εμφανιζόταν στο σήμα φωτός του λέιζερ.

Από την άλλη μεριά, η ομάδα του GEO600 προβληματιζόταν από την παρουσία του άγνωστου θορύβου στις συχνότητες από 300 έως 1500 Hz. Όταν όμως διάβασαν τις προβλέψεις του Hogan του έστειλαν ένα διάγραμμα του θορύβου που κατέγραψε ο ανιχνευτής και ο Hogan διαπίστωσε ότι η μορφή και τα χαρακτηριστικά του ήταν ακριβώς αυτά που είχε προβλέψει.
Ωστόσο, οι επιστήμονες είναι αρκετά επιφυλακτικοί και δεν ισχυρίζονται ότι υπάρχουν αποδείξεις ότι ζούμε σε ένα ολογραφικό σύμπαν.

Ο ίδιος ο Hogan λέει μάλιστα πως είναι πολύ νωρίς για να ισχυριστούμε κάτι τέτοιο αφού, θεωρητικά, ο συγκεκριμένος θόρυβος θα μπορούσε να αποδοθεί σε μια πιο «εγκόσμια» πηγή. Γιατί οι ανιχνευτές των βαρυτικών κυμάτων είναι εξαιρετικά ευαίσθητα όργανα και έτσι, για να αποκλειστούν οι διάφορες πηγές συνηθισμένου θορύβου, οι επιστήμονες πρέπει να είναι πολύ περισσότερο προσεκτικοί και σχολαστικοί απ’ ό,τι συνήθως. Πρέπει να λάβουν υπόψη τον θόρυβο που οφείλεται στα διερχόμενα σύννεφα, σε ανεπαίσθητες σεισμικές δονήσεις καθώς και σε πολλές άλλες πηγές που παράγουν θόρυβο και καλύπτουν το πραγματικό σήμα.

Μέχρι τώρα δεν έχει βρεθεί κάποια συνηθισμένη πηγή στην οποία θα μπορούσε με αξιοπιστία να αποδοθεί ο μυστηριώδης θόρυβος που καταγράφει ο ανιχνευτής GEO600. Υπήρξε η σκέψη, ο θόρυβος που ο Hogan αποδίδει στην κοκκώδη υφή του χωροχρόνου, να οφείλεται σε διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του διαχωριστή δέσμης. Ωστόσο, υπολογίστηκε ότι οι διακυμάνσεις αυτές θα μπορούσαν να δικαιολογήσουν μόνο ένα μέρος, και συγκεκριμένα έως το 1/3 του θορύβου που καταγράφει ο ανιχνευτής.

Ο ανιχνευτής των βαρυτικών κυμάτων GEO600
Λόγω μιας καινοτόμου και αξιόπιστης τεχνολογίας, ο GEO 600 έχει αποκτήσει μια εξαιρετική παγκόσμια φήμη και θεωρείται ένα εργαστήριο ιδεών για την παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων διεθνώς. Είναι το πιο σύγχρονο λέιζερ στον κόσμο από αυτά που χρησιμοποιούνται σε όλα τα παρατηρητήρια των βαρυτικών κυμάτων σήμερα.
Ένα σημαντικό τεχνολογικό καινούργιο επίτευγμα των ερευνητών είναι το «συμπιεσμένο κενό». Η τεχνολογία αυτή προορίζεται για χρήση στην τρίτη γενιά ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων και πρόκειται ίσως να φέρει επανάσταση στην ανίχνευση του Ολογραφικού Σύμπαντος.

Αν ένα βαρυτικό κύμα περάσει μέσα από τον ανιχνευτή GEO600, αυτό που θα κάνει είναι να «τεντώσει» ελάχιστα τον χώρο προς μία κατεύθυνση και να τον «συμπιέσει» επίσης ελάχιστα, προς μία άλλη κατεύθυνση. Με άλλα λόγια, θα παρατηρηθεί μια πολύ μικρή διαστολή μήκους προς μία κατεύθυνση και μια πολύ μικρή συστολή μήκους προς μία άλλη κατεύθυνση. Για να μετρηθεί αυτό, η ομάδα του GEO600 εκπέμπει μία δέσμη λέηζερ μέσα από ένα ημιεπαργυρωμένο κάτοπτρο που ονομάζεται διαχωριστής δέσμης. Ο διαχωριστής διαχωρίζει τη δέσμη σε δύο δέσμες οι οποίες διατρέχουν τους κάθετους μεταξύ τους, μήκους 600 μέτρων, βραχίονες του ανιχνευτή και επιστρέφουν. Όταν οι δέσμες που επιστρέφουν φτάσουν στον διαχωριστή, συμβάλλουν και δημιουργούν μια εικόνα συμβολής, δηλαδή μια εικόνα από φωτεινές και σκοτεινές περιοχές όπου τα φωτεινά κύματα σε άλλες περιοχές αλληλο-εξουδετερώνονται και σε άλλες περιοχές ενισχύονται. Από την εικόνα συμβολής, μπορεί να υπολογιστεί αν και κατά πόσο έχει αλλάξει το μήκος των βραχιόνων.

Ο ανιχνευτής GEO600 είναι ένα κοινό πρότζεκτ των επιστημόνων του Ινστιτούτου Max Planck για την βαρυτική φυσική, των Πανεπιστημίων του Αννόβερου, του Κάρντιφ, της Γλασκώβης και του Birmingham.