Νέα στοιχεία για την παράξενη ιδέα ότι το σύμπαν είναι ένα ολόγραμμα

Ένα από τα μεγάλα μυστήρια της σύγχρονης κοσμολογίας είναι το πώς το σύμπαν μας μπορεί να είναι τόσο θερμικά ομοιόμορφο—ο απέραντος σύμπαν είναι γεμάτος με την παρατεταμένη θερμότητα της Μεγάλης Έκρηξης. Με την πάροδο του χρόνου, έχει κρυώσει σε μερικούς βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, αλλά μπορεί ακόμα να φανεί στην αμυδρή λάμψη της ακτινοβολίας μικροκυμάτων, γνωστή ως κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο. Σε όποια κατεύθυνση κοιτάξουμε, η θερμοκρασία αυτού του κοσμικού υποβάθρου είναι βασικά η ίδια, που ποικίλλει μόνο κατά μικροσκοπικά ποσά. Αλλά σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο της «ψυχρής σκοτεινής ύλης» της κοσμολογίας, δεν υπήρχε αρκετός χρόνος για να εξισορροπηθούν θερμότερες και ψυχρότερες περιοχές του πρώιμου σύμπαντος. Ακόμη και σήμερα θα περιμέναμε μέρη του κοσμικού υποβάθρου να είναι πολύ πιο θερμά από άλλα, αλλά δεν είναι αυτό που παρατηρούμε.

Μια λύση σε αυτό το κοσμολογικό πρόβλημα είναι γνωστή ως πρώιμος πληθωρισμός. Εάν το παρατηρήσιμο σύμπαν ήταν εξαιρετικά μικροσκοπικό στις πρώτες του στιγμές, θα μπορούσε να είχε φτάσει σε ομοιόμορφη θερμοκρασία πολύ γρήγορα. Στη συνέχεια, λέει η θεωρία, το σύμπαν υπέστη μια σύντομη περίοδο ταχείας διαστολής, που τελικά οδήγησε στο σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα. Δεν έχουμε καμία άμεση απόδειξη για τον πρώιμο κοσμικό πληθωρισμό, αλλά επειδή θα έλυνε πολλά ζητήματα στην κοσμολογία, είναι μια ευρέως υποστηριζόμενη ιδέα.

Πρόσφατα, μια ομάδα αστρονόμων εξέτασε δεδομένα από τον δορυφόρο Planck, ο οποίος συγκέντρωσε τις πιο ακριβείς μετρήσεις του κοσμικού υποβάθρου μέχρι στιγμής. Ήθελαν να συγκρίνουν τις διακυμάνσεις σε τεράστιες περιοχές του ουρανού, γνωστές ως χαμηλές πολυπολικές ροπές, με τις προβλέψεις του τυπικού κοσμολογικού μοντέλου και ενός μοντέλου που είναι κάπως παράξενο, ενός ολογραφικού. Τι θα γινόταν αν όλα γύρω σας, από τα μακρινά αστέρια μέχρι τα ίδια σας τα χέρια, ήταν ένα ολόγραμμα; Όπως το σπήλαιο του Πλάτωνα, ο κόσμος μας των στερεών αντικειμένων και του τρισδιάστατου χώρου θα ήταν απλώς μια σκιά μιας δισδιάστατης πραγματικότητας. Στην ανθρώπινη κλίμακα, ένα ολογραφικό σύμπαν δεν θα μπορούσε να διακριθεί από την πραγματικότητα που περιμένουμε, αλλά σε κοσμική κλίμακα θα μπορούσαν να υπάρχουν λεπτές διαφορές που θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε.

Στην ολογραφική άποψη της κοσμολογίας, ο πρώιμος πληθωρισμός οφείλεται στις αλληλεπιδράσεις του κβαντικού πεδίου, το οποίο θα άλλαζε ελαφρώς την εμφάνιση του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για χαμηλές πολυπολικές ροπές, και αυτή η διαφορά καθιστά δυνατό, τουλάχιστον κατ' αρχήν, να αποδειχθεί ότι η ολογραφική αρχή είναι αληθινή. Στην εργασία τους, που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα στο Physical Review Letters, η ομάδα αναφέρει το ολογραφικό μοντέλο που ταιριάζει στα δορυφορικά δεδομένα Planck ελαφρώς καλύτερα από το τυπικό μοντέλο. Τα αποτελέσματα δεν αποδεικνύουν ότι το σύμπαν είναι ολογραφικό, αλλά συνάδουν με ένα ολογραφικό μοντέλο.

Η ιδέα ότι το σύμπαν μας μπορεί να είναι ολογραφικό προέρχεται από τη θεωρία χορδών. Αν και η θεωρία χορδών δεν έχει αποδειχθεί πειραματικά, η μαθηματική της δομή έχει μια κομψότητα και δύναμη που την κάνει ελκυστική ως θεωρητικό μοντέλο. Η ολογραφική αρχή στη θεωρία χορδών είναι ακριβώς ένα τέτοιο παράδειγμα. Στην ευρύτερη μορφή της, η ολογραφική αρχή δηλώνει ότι οτιδήποτε μπορείτε να μάθετε για έναν συγκεκριμένο όγκο χώρου, μπορείτε να το μάθετε κοιτάζοντας την επιφάνεια που περικλείει τον όγκο. Ακριβώς όπως ένα ολόγραμμα μπορεί να περιέχει μια τρισδιάστατη εικόνα μέσα σε ένα φύλλο γυαλιού ή πλαστικού, το σύμπαν θα μπορούσε να περιέχει τον τεράστιο όγκο του μέσα σε μια επιφάνεια.

Για παράδειγμα, φανταστείτε έναν δρόμο μήκους 10 μιλίων που «περιέχεται» από μια γραμμή εκκίνησης και μια γραμμή τερματισμού. Ας υποθέσουμε ότι το όριο ταχύτητας σε αυτόν τον δρόμο είναι 60 μίλια την ώρα, και θέλουμε να μάθουμε εάν ένα αυτοκίνητο είχε ταχύτητα. Ένας τρόπος για να το κάνετε αυτό είναι να παρακολουθήσετε ένα αυτοκίνητο να ταξιδεύει σε όλο το μήκος του δρόμου, μετρώντας την ταχύτητά του όλη την ώρα. Αλλά ένας άλλος τρόπος είναι απλά να μετρήσετε πότε ένα αυτοκίνητο περνά τη γραμμή εκκίνησης και τερματισμού. Με ταχύτητα 60 μιλίων την ώρα, ένα αυτοκίνητο διανύει ένα μίλι το λεπτό, οπότε αν ο χρόνος μεταξύ εκκίνησης και τερματισμού είναι μικρότερος από 10 λεπτά, γνωρίζουμε ότι το αυτοκίνητο έτρεχε με ταχύτητα.

Εάν η ολογραφική αρχή είναι αληθής, τότε το σύμπαν μπορεί να θεωρηθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους:έναν με το χώρο και τον όγκο όπως το βιώνουμε διαισθητικά και έναν με μια «επιφάνεια» με μια λιγότερη διάσταση. Αυτή η ολογραφική δυαδικότητα είναι μαθηματικά ισχυρή, επειδή ορισμένοι νόμοι της φυσικής μπορεί να είναι πολύ πιο εύκολο να εργαστούν με τη μια άποψη από την άλλη.

Η δομή του σύμπαντός μας καθοδηγείται από τη συνεχή έλξη της βαρύτητας ανάμεσα στα αστέρια και τους γαλαξίες. Στην παρούσα εποχή, η βαρύτητα είναι αδύναμη σε σύγκριση με άλλες δυνάμεις και περιγράφεται ως βαρυτικό πεδίο στη γενική σχετικότητα. Στη διπλή ολογραφική άποψη, η βαρύτητα περιγράφεται ως ένα κβαντικό πεδίο που μπορεί να αλληλεπιδράσει έντονα με τη μάζα. Δεδομένου ότι είναι ευκολότερο να υπολογιστούν οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις από τις ισχυρές, η προσέγγιση της γενικής σχετικότητας είναι πιο χρήσιμη. Ωστόσο, στις πρώτες στιγμές του κοσμικού χρόνου, όταν το σύμπαν ήταν ζεστό και πυκνό, τα βαρυτικά πεδία της σχετικότητας ήταν ισχυρά, επομένως τα κβαντικά πεδία της ολογραφικής όψης μπορεί να είναι ευκολότερο να αντιμετωπιστούν.

Το γεγονός ότι τόσο το τυπικό όσο και το ολογραφικό μοντέλο μπορούν να εξηγήσουν τον πρώιμο πληθωρισμό υποστηρίζει την ιδέα ότι η ολογραφική αρχή ισχύει στο σύμπαν μας. Ο κοσμικός πληθωρισμός παραμένει ένα μυστήριο, αλλά βλέποντας το σύμπαν ως ολόγραμμα μπορεί απλώς να είμαστε σε θέση να το λύσουμε.

Ο Brian Koberlein είναι αστροφυσικός και καθηγητής φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Ρότσεστερ. Γράφει για την αστρονομία και την αστροφυσική στο ιστολόγιό του One Universe at a Time. Βρείτε τον στο Twitter @BrianKoberlein.

Παρακολουθήστε:  Ο Max Tegmark, ένας φυσικός στο MIT, εξηγεί πώς μια χούφτα αριθμών μπορεί να περιγράψει τη γέννηση του σύμπαντος.

Πίστωση εικόνας: LLcertae / Flickr