Nosso Mundo pode ser um Holograma Gigante

A Condução através do campo ao sul de Hanover, seria fácil perder o experimento GEO600.

Do lado de fora, não parece muito: no canto de um campo está uma variedade de edifícios temporários boxy, a partir do qual duas trincheiras de comprimento emergem, em um ângulo retos entre si, coberto com ferro ondulado.

Debaixo das folhas de metal, no entanto, encontra-se um detector que se estende por 600 metros (abaixo da imagem).

Vista aérea

O detector de ondas gravitacionais GEO600 em Ruthe perto de Hannover.

Na frente, o edifício central para o laser e os tanques de vácuo podem ser vistos.

Os tubos, de 600 m de comprimento, correm em valas cobertas na borda do campo para cima e para a direita.

Edifícios para os espelhos estão situados no final de cada tubo.

Crédito: Albert Einstein Institute Hannover

Durante os últimos sete anos, este set-up alemão tem procurado ondas gravitacionais - ondulações no espaço-tempo jogadas fora por objetos astronômicos super-densos tais como estrelas de nêutrons e buracos negros.

Até o momento, o GEO600 não detectou ondas gravitacionais, mas talvez tenha feito a descoberta mais importante da física por meio século.

Durante muitos meses, os membros da equipe do GEO600 estavam coçando a cabeça por causa do barulho inexplicável que está atingindo seu detector gigante. Então, de repente, um pesquisador aproximou-se deles com uma explicação. Na verdade, ele até tinha previsto o barulho antes que soubesse que o estavam detectando.

De acordo com Craig Hogan, físico do Laboratório de Física de Partículas Fermilab em Batavia, Illinois, o GEO600 tropeçou no limite fundamental do espaço-tempo - o ponto onde o espaço-tempo deixa de se comportar como contínuo, Einstein descreveu o dissolveu em "grãos ", Assim como uma fotografia de jornal se dissolve em pontos à medida que você aumenta o zoom.

"Parece que o GEO600 está sendo bombardeado pelas convulsões quânticas microscópicas do espaço-tempo", diz Hogan.

Se isso não te espantou ainda, Hogan, que acaba de ser nomeado diretor do Centro Fermilab de Partículas Astrofísicas, irá te espantar agora:

"Se o resultado do GEO600 é o que eu suspeito que seja, então estamos todos vivendo em um holograma cósmico gigante."

A idéia de que vivemos em um holograma provavelmente soa absurda, mas é uma extensão natural do nosso melhor entendimento de buracos negros e algo com um fundamento teórico bastante firme. Também tem sido surpreendentemente útil para físicos que lutam com teorias de como o universo funciona em seu nível mais fundamental.

Os hologramas que você encontra em cartões de crédito e notas são gravados em filmes plásticos bidimensionais. Quando a luz salta fora deles, recria a aparência de uma imagem 3D.

Nos anos 90, os físicos Leonard Susskind e Gerard 't Hooft, vencedor do Prêmio Nobel, sugeriram que o mesmo princípio poderia se aplicar ao universo como um todo. Nossa experiência cotidiana pode ser uma projeção holográfica de processos físicos que ocorrem em uma superfície 2D distante.

O "princípio holográfico" desafia nossa sensibilidade. Parece difícil acreditar que você acordou, escovou os dentes e está lendo este artigo por causa de algo acontecendo na fronteira do universo. Ninguém sabe o que significaria para nós se realmente vivemos em um holograma, mas os teóricos têm boas razões para acreditar que muitos aspectos do princípio holográfico são verdadeiros.

A notável idéia de Susskind e 't Hooft foi motivada por um trabalho inovador sobre buracos negros de Jacob Bekenstein, da Universidade Hebraica de Jerusalém, em Israel, e Stephen Hawking, da Universidade de Cambridge. Em meados da década de 1970, Hawking mostrou que os buracos negros de fato não são inteiramente "negros", mas em vez disso emitem lentamente radiação, o que os faz evaporar e eventualmente desaparecer.

Isso representa um enigma, porque a radiação Hawking não transmite nenhuma informação sobre o interior de um buraco negro.

Quando o buraco negro se foi, toda a informação sobre a estrela que desmoronou para formar o buraco negro desapareceu, o que contradiz o princípio amplamente afirmado de que a informação não pode ser destruída. Isso é conhecido como o paradoxo da informação do buraco negro.

O trabalho de Bekenstein forneceu uma pista importante para resolver o paradoxo.

Ele descobriu que a entropia de um buraco negro - que é sinônimo de seu conteúdo informativo - é proporcional à área de superfície de seu horizonte de eventos. Esta é a superfície teórica que encobre o buraco negro e marca o ponto de não retorno para inflar matéria ou luz. Os teóricos mostraram desde então que ondulações quânticas microscópicas no horizonte do evento podem codificar a informação dentro do buraco negro, de modo que não há perda misteriosa de informações à medida que o buraco negro se evapora.

Essencialmente, isso fornece uma percepção física profunda: as informações 3D sobre uma estrela precursora podem ser completamente codificadas no horizonte 2D do buraco negro subseqüente - não muito diferente da imagem 3D de um objeto que está sendo codificado em um holograma 2D.

Susskind e 't Hooft estenderam a percepção ao universo como um todo, com base no fato de que o cosmos tem um horizonte também - o limite de além do qual a luz não teve tempo de nos alcançar na vida de 13,7 bilhões de anos do universo. Além disso, o trabalho de vários teóricos da corda, mais notavelmente Juan Maldacena no Instituto de Estudos Avançados em Princeton, confirmou que a idéia está no caminho certo.

Ele mostrou que a física dentro de um universo hipotético com cinco dimensões e moldado como um Pringle, é o mesmo que a física que ocorre no limite de quatro dimensões.

De acordo com Hogan, o princípio holográfico altera radicalmente a nossa imagem do espaço-tempo.

Os físicos teóricos acreditam há muito tempo que os efeitos quânticos fariam com que o espaço-tempo se convulsionasse descontroladamente nas menores escalas. Nessa ampliação, o tecido do espaço-tempo torna-se granulado e, em última instância, é feito de pequenas unidades, como pixels, mas cem bilhões de bilhões de vezes menores do que um próton. Esta distância é conhecida como o comprimento Planck, a meros 10-35 metros.

O comprimento de Planck está muito além do alcance de qualquer experiência concebível, então ninguém ousou sonhar que a granulometria do espaço-tempo pode ser discernível.

Isto é, não até Hogan perceber que o princípio holográfico muda tudo. Se o espaço-tempo é um holograma granulado, então você pode pensar no universo como uma esfera cuja superfície externa é empacotada em quadrados de tamanho Planck, cada um contendo um pouco de informação. O princípio holográfico diz que a quantidade de informações que aparecem no exterior deve corresponder ao número de bits contidos dentro do volume do universo.

Uma vez que o volume do universo esférico é muito maior do que sua superfície externa, como isso poderia ser verdade?

Hogan percebeu que, para ter o mesmo número de bits dentro do universo como no limite, o mundo interior deve ser composto de grãos maiores do que o comprimento de Planck.

"Ou, em outras palavras, um universo holográfico está embaçado", diz Hogan.

Esta é uma boa notícia para qualquer pessoa que esteja tentando sondar a menor unidade de espaço-tempo.

"Ao contrário de todas as expectativas, traz sua estrutura quântica microscópica ao alcance das experiências atuais", diz Hogan.

Assim, enquanto o comprimento de Planck é muito pequeno para que as experiências possam ser detectadas, a "projeção" holográfica dessa granulação pode ser muito, muito maior, em torno de 10-16 metros.

"Se você viveu dentro de um holograma, você poderia dizer medindo o borrão", diz ele.

Quando Hogan percebeu isso pela primeira vez, ele se perguntou se alguma experiência poderia ser capaz de detectar o borrão holográfico do espaço-tempo. É aí que entra o GEO600.

Os detectores de ondas gravitacionais, como o GEO600, são, essencialmente, governantes extremamente sensíveis. A idéia é que, se uma onda gravitacional passa pelo GEO600, ela irá alongar o espaço alternadamente em uma direção e apertá-lo em outra. Para medir isso, a equipe GEO600 dispara um único laser através de um espelho semi-prateado chamado um divisor de feixe.

Isso divide a luz em dois feixes, que passam pelos braços perpendiculares do instrumento de 600 metros e retornam novamente. Os feixes de luz de retorno se fundem juntos no divisor de feixe e criam um padrão de interferência de regiões claras e escuras onde as ondas de luz cancelam ou reforçam umas às outras.

Qualquer mudança na posição dessas regiões indica que os comprimentos relativos dos braços mudaram.

"A principal coisa é que essas experiências são sensíveis a mudanças no comprimento das réguas que são muito menores do que o diâmetro de um próton", diz Hogan.

Seriam então capazes de detectar uma projeção holográfica do espaço-tempo granulado?
Dos cinco detectores de ondas gravitacionais em todo o mundo, Hogan percebeu que o experimento anglo-alemão GEO600 deveria ser mais sensível ao que ele tinha em mente.

Ele previu que se o divisor do feixe da experiência é soprado pelas convulsões quânticas do espaço-tempo, isso aparecerá em suas medidas (Physical Review D, vol 77, p 104031).

"Este jitter aleatório causaria o ruído no sinal da luz de laser," diz Hogan.

Em junho ele enviou sua previsão para a equipe GEO600.

"Incrivelmente, eu descobri que a experiência estava pegando um ruído inesperado", diz Hogan.

O pesquisador principal do GEO600, Karsten Danzmann, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Potsdam, Alemanha, e também a Universidade de Hanover, admite que o excesso de ruído, com freqüências entre 300 e 1500 hertz, estava incomodando a equipe há muito tempo.

Ele respondeu a Hogan e lhe enviou o barulho.

"Parecia exatamente o mesmo que minha previsão", diz Hogan. "Era como se o splitter de feixe tivesse um jitter extra lateral."

Incrivelmente, o experimento estava captando um ruído inesperado - como se convulsões quânticas estivessem causando um jitter extra laterais. Ninguém - incluindo Hogan - ainda alega que o GEO600 encontrou evidências de que vivemos em um universo holográfico.

É muito cedo para dizer.

"Ainda pode haver uma fonte mundana de barulho", admite Hogan.

Os detectores de ondas gravitacionais são extremamente sensíveis, portanto aqueles que os operam têm que trabalhar mais do que a maioria, para descartar o ruído.

Eles têm que levar em conta nuvens passageiras, tráfego distante, rumores sismológicos e muitas, muitas outras fontes que poderiam mascarar um sinal real.

"O negócio diário de melhorar a sensibilidade dessas experiências sempre gera algum excesso de ruído", diz Danzmann. "Trabalhamos para identificar sua causa, livrar-se dela e enfrentar a próxima fonte de excesso de ruído".

Atualmente, não há fontes claras de candidatos para o ruído que o GEO600 está experimentando.

"A este respeito, eu consideraria a situação atual desagradável, mas não realmente preocupante."

Por um tempo, a equipe do GEO600 achou que o ruído que Hogan estava interessado foi causado por flutuações na temperatura através do divisor de feixe. No entanto, a equipe calculou que isso poderia representar apenas um terço do ruído, no máximo.

Danzmann diz que várias melhorias planejadas devem melhorar a sensibilidade do GEO600 e eliminar algumas possíveis fontes experimentais de excesso de ruído.

"Se o ruído permanecer onde está agora após essas medidas, então temos que pensar novamente", diz ele.

Se o GEO600 realmente descobriu o ruído holográfico das convulsões quânticas do espaço-tempo, então ele apresenta uma espada de dois gumes para pesquisadores de ondas gravitacionais.

Na mão, o ruído prejudicará suas tentativas de detectar ondas gravitacionais

Por outro lado, poderia representar uma descoberta ainda mais fundamental

Tal situação não seria sem precedentes na física.

Detectores gigantes construídos para procurar uma forma hipotética de radioatividade onde a decomposição de prótons nunca encontrou. Em vez disso, eles descobriram que os neutrinos podem mudar de um tipo para outro - talvez mais importante porque poderia nos dizer como o universo veio a ser preenchido com matéria e não antimatéria.

Seria irônico se um instrumento construído para detectar algo tão vasto quanto fontes astrofísicas de ondas gravitacionais, inadvertidamente, detectar a grumosidade minúscula do espaço-tempo.

"Falando como um físico fundamental, vejo que descobrir o ruído holográfico, é muito mais interessante", diz Hogan.

Pequeno preço a pagar

Apesar do fato de que, se Hogan estiver certo, e o ruído holográfico estragar a capacidade do GEO600 de detectar ondas gravitacionais, Danzmann é otimista.

"Mesmo que limite a sensibilidade do GEO600 em alguma faixa de freqüência, seria um preço que ficaríamos felizes em pagar em troca da primeira detecção da granulação do espaço-tempo". ele diz. - Aposto que ficaríamos satisfeitos, seria uma das descobertas mais notáveis ​​em muito tempo.

No entanto Danzmann é cauteloso sobre a proposta de Hogan e acredita que mais trabalho teórico precisa ser feito.

"É intrigante", diz ele. "Mas não é realmente uma teoria ainda, apenas uma idéia."

Como muitos outros, Danzmann concorda que é muito cedo para fazer qualquer afirmação definitiva.

"Vamos esperar e ver", diz ele. "Nós pensamos que é pelo menos um ano muito cedo para ficar animado."

Quanto mais tempo o quebra-cabeça permanece, no entanto, mais forte a motivação torna-se de construir um instrumento dedicado para sondar o ruído holográfico. John Cramer da Universidade de Washington em Seattle concorda.

"Foi um 'acidente de sorte' que as previsões de Hogan pudessem ser conectadas ao experimento GEO600", diz ele. "Parece claro que investigações experimentais muito melhores poderiam ser montadas se fossem focadas especificamente na medição e caracterização do ruído holográfico e fenômenos relacionados . "

Uma possibilidade, de acordo com Hogan, seria usar um dispositivo chamado um interferômetro atômico.

Estes funcionam usando o mesmo princípio como detectores baseados em laser mas usam feixes feitos de átomos ultra-frios em vez de luz laser. Como os átomos podem se comportar como ondas com um comprimento de onda muito menor do que a luz, os interferômetros de átomos são significativamente menores e, portanto, mais baratos de construir do que suas contrapartes do detector de ondas gravitacionais.

Então, o que significaria se houvesse um ruído holográfico? Cramer compara a descoberta de ruído inesperado por uma antena em Bell Labs em New Jersey em 1964.

Aquele ruído acabou por ser o fundo de microondas cósmico, o resplendor da bola de fogo do big bang.

"Não só ganhou Arno Penzias e Robert Wilson um prêmio Nobel, mas confirmou o big bang e abriu um campo inteiro de cosmologia", diz Cramer.

Hogan é mais específico.

"Esqueça Quantum of Solace, teríamos observado diretamente o quantum do tempo", diz Hogan. "É o menor intervalo possível de tempo - o comprimento de Planck dividido pela velocidade da luz."

Mais importante ainda, a confirmação do princípio holográfico seria uma grande ajuda para os pesquisadores que tentam unir a mecânica quântica e a teoria da gravidade de Einstein.

Hoje, a abordagem mais popular para a gravidade quântica é a teoria das cordas, que os pesquisadores esperam poder descrever acontecimentos no universo no nível mais fundamental.

Mas não é o único show da cidade.

"O espaço-tempo holográfico é usado em certas abordagens para quantificar a gravidade que têm uma forte conexão com a teoria das cordas", diz Cramer. "Conseqüentemente, algumas teorias da gravidade quântica podem ser falsificadas e outras reforçadas".

Hogan concorda que, se o princípio holográfico é confirmado, ele exclui todas as abordagens à gravidade quântica que não incorporam o princípio holográfico.

Por outro lado, seria um impulso para aqueles que fazem - incluindo alguns derivados da teoria das cordas e algo chamado teoria da matriz.

"Em última análise, podemos ter a nossa primeira indicação de como o espaço-tempo emerge da teoria quântica."

 Fonte: http://www.bibliotecapleyades.net/ciencia/ciencia_holouniverse07.htm