Trăim într-o hologramă? Fizicienii specializați în teoria corzilor sunt de părere că da. Dar ce înseamnă asta?
Cum funcționează hologramele și cum sunt ele legate de teoria corzilor? Despre asta vom vorbi în acest articol.
În filmele science-fiction hologramele sunt imagini tridimensionale ce se pot mișca, dar, în realitate, tehnologia hologramelor nu a prins încă din urmă imaginația. Deocamdată, hologramele rămân, în mare parte, imagini statice.
Hologramele pe care cel mai probabil le-ați văzut nu sunt ca cele din filme. Nu sunt o proiecție a unui obiect - oricum cum ar funcționa asta... În schimb, ceea ce vedeți este un obiect tridimensional deasupra sau în spatele unei suprafețe plate. Holograme mici sunt folosite frecvent ca o măsură de securitate pe carduri de credit, cărți de identitate sau chiar bancnote, deoarece sunt ușor de văzut, dar greu de copiat.
Dacă țineți o astfel de hologramă în lumină, veți vedea că pare să aibă adâncime, chiar dacă este imprimată pe un film plat. Acest lucru se datorează faptului că în fotografii suntem limitați la o singură perspectivă din care a fost făcută fotografia și de aceea au un aspect plat. Hologramele, pe de altă parte, pot fi înclinate și observate din unghiuri diferite, ca și cum ar fi examinat un obiect tridimensional.
Aceste holograme de pe cardurile de credit sau cele pe care le găsiți pe cărți poștale nu sunt, de fapt, holograme „reale”. Ele sunt compuse din mai multe imagini bidimensionale și, în funcție de unghiul de la care sunt observate, o imagine diferită este reflectată înapoi, ceea ce creează iluzia unei imagini tridimensionale.
Într-o hologramă reală, imaginea este într-adevăr tridimensională. Din păcate, piața hologramelor reale este mică, așa că sunt greu de găsit, chiar dacă tehnologia de la bază este simplă. O adevărată hologramă arată așa:
Hologramele reale proiectează un obiect tridimensional pe o suprafață plană. Cum este posibil acest lucru? Răspunsul este interferența.
Lumina este alcătuită din unde electromagnetice, deci are maxime și minime (ca orice unde). O proprietate esențială a undelor este că acestea pot fi suprapuse pentru a le face să se amplifice sau să se anuleze reciproc. Dacă două unde sunt suprapuse, astfel încât două maxime se întâlnesc în același punct, unda rezultantă va fi amplificată. Acest fenomen se numește interferență constructivă. Dacă o maximă întâlnește o minimă, atunci undele se vor anula reciproc pe fondul interferenței distructive.
În natură nu putem observa unde de lumină anulându-se reciproc, întrucât, pentru a putea vedea interferența, este nevoie de lumină bine „reglată”, unde maximele și minimele sunt bine aliniate. Lumina soarelui sau a becurilor nu are această proprietate, însă lumina laser o are. Prin urmare, lumina laser poate fi interferată.
Această interferență este cea utilizată pentru a crea holograme. Pentru a obține acest rezultat, mai întâi împărțim un fascicul laser în două cu un material semi-transparent numit divizor de fascicul (eng. beam-splitter), iar apoi lărgim ambele fascicule cu o lentilă divergentă. Primul fascicul este direcționat către obiectul care trebuie proiectat. Lumina nu va fi pur și simplu reflectată de către obiect, ci va fi împrăștiată în multe direcții. Acea lumină împrăștiată conține informații despre suprafața obiectului. Cele două fascicule sunt apoi recombinate, iar intensitatea luminii este captată de un ecran.
După cum am spus, lumina laserului poate interfera. Asta înseamnă că intensitatea luminii de pe ecran depinde de tipul de interferență, constructivă sau distructivă, ceea depinde de locul unde a fost localizat obiectul și de forma acestuia. Astfel, ecranul a captat toate informațiile tridimensionale ale obiectului. Pentru a vizualiza holograma, se dezvoltă filmul și se trimite lumină prin acesta la aceeași lungime de undă cu care a fost realizată imaginea.
Pentru a înțelege fenomenul mai în detaliu, să ne uităm la imaginea formată atunci când proiectăm un obiect foarte mic în formă de punct. Va arăta așa:
Se numește placă de zonă Fresnel. Intensitatea și lățimea inelelor depind de distanța dintre obiectul asemănător punctului și ecran și de lungimea de undă a luminii. Totuși, orice obiect este în esență alcătuit din mai multe obiecte asemănătoare punctelor, astfel încât imaginea de interferență de pe ecran este, de fapt, doar o suprapunere a mai multor plăci de zonă diferite.
Însă nu ați aflat încă cel mai interesant lucru despre holograme. Fiecare parte a ecranului primește informații din fiecare parte a obiectului. În consecință, dacă dezvoltăm imaginea pentru a obține holograma, o putem tăia în mici bucățele, iar fiecare piesă tot va putea recrea întregul obiect tridimensional. Pentru a înțelege mai bine cum funcționează acest fenomen, să ne uităm din nou la placa de zonă a unui singur obiect asemănător cu un punct. Dacă avem doar o bucată mică din imagine, după cum puteți vedea mai jos, tot putem deduce restul modelului. Același principiu se aplică și în scenarii în care avem mai multe plăci de zonă suprapuse, deși devine puțin mai dificil. Astfel, cel puțin din punct de vedere matematic, putem reconstrui întregul obiect din orice parte a unei plăci holografice. În realitate însă, calitatea imaginii va scădea ca un rezultat.
Acum că știți cum funcționează hologramele reale, permiteți-mi să vorbesc despre ideea că universul este o hologramă. Când fizicienii specializați în teoria corzilor susțin că universul nostru este o hologramă, ei se referă la următoarele lucruri. Universul nostru are o constantă cosmologică pozitivă. Din punct de vedere matematic, însă, universurile cu o constantă cosmologică negativă sunt mult mai ușor de abordat. La asta se uită de obicei fizicienii preocupați de teoria corzilor. Aceste universuri cu o constantă cosmologică negativă se numesc spații Anti-de Sitter, iar în aceste spații Anti-de Sitter este plasată materie supersimetrică. Din câte știm, universul nostru nu este Anti-de Sitter, iar materia nu este supersimetrică, dar din punct de vedere matematic cercetătorii pot simula aceste scenarii.
În unele dintre aceste universuri Anti-de Sitter a fost demonstrat faptul că gravitația din interiorul universului este, de fapt, echivalentă matematic cu o altă gravitație la granița conformă a acelui univers. Ce este granița conformă a universului? Ei bine, universul nostru actual nu are una. Dar aceste spații Anti-de Sitter o au. Modul exact în care sunt definite granițele nu este atât de important, dar tot ce trebuie să știți este că această graniță conformă are cu o dimensiune a spațiului mai puțin decât spațiul pe care îl limitează.
Deci, avem o echivalență între două teorii ale gravitației într-un număr diferit de dimensiuni ale spațiului. O teorie în acest spațiu Anti-de Sitter cu materie ciudată și încă o teorie la granița acestui spațiu, care are de asemenea materie ciudată. Și dacă vreți să îi știți numele, iată-l: teoria de la graniță este numită teoria conformă a câmpurilor (eng. conformal field theory), iar întreaga teorie se numește corespondența AdS/CFT (eng. AdS/CFT Duality).
Această corespondență a fost confirmată matematic pentru câteva universuri, dar majoritatea cercetătorilor din domeniul teoriei corzilor sunt de părere că este mult mai general valabilă. În fapt, mulți dintre ei par să creadă că este valabilă până și în universul nostru, chiar dacă nu există dovezi în acest sens, nici observaționale, nici matematice. În această formă generală, corespondența este numită pur și simplu „principiul holografic”.
Dacă principiul holografic ar fi corect, ar însemna că informațiile despre orice volum din universul nostru sunt proiectate pe granița acelui volum. Acest lucru este remarcabil, deoarece ați crede că informațiile pe care le putem stoca într-un volum de spațiu sunt mult mai multe decât cele pe care le putem stoca pe suprafața acestuia. Conform principiului holografic, însă, informațiile pe care le putem pune în volum nu sunt cum credem noi. Trebuie să aibă mai multe corelații decât ne dăm seama. Prin urmare, dacă principiul holografic este adevărat, acest lucru ar avea implicații interesante.
Principiul holografic sună într-adevăr un pic ca holografia optică. În ambele cazuri sunt proiectate informații despre un volum pe o suprafață cu o dimensiune mai puțin. Dar dacă privim mai îndeaproape, există două diferențe importante între cele două:
• În primul rând, o hologramă optică nu este de fapt surprinsă în două dimensiuni; filmul holografic are o grosime, iar acea grosime este necesară pentru stocarea informației. Principiul holografic, pe de altă parte, este o abstractizare matematică, iar suprafața pe care este proiectată informația are într-adevăr cu o dimensiune mai puțin.
• În al doilea rând, așa cum am văzut mai sus, într-o hologramă reală, fiecare parte conține informații despre întregul obiect. În matematica universului holografic, însă, nu este cazul. Dacă luăm doar o bucată din graniță, aceasta nu ne va permite să reproducem tot ce se întâmplă în întregul univers.
Din acest motiv nu cred că referirea la această teorie ca holografie este o analogie bună. Cu toate acestea, acum știți exact ce au și ce nu au în comun cele două tipuri de holografie.
* Textul reprezintă traducerea și adaptarea textului din videoclip.
Traducere de Vlad Lazăr
* Credit imagine: Vienna University of Technology
