آيا ما در جهان هولوگرافيك زندگي مي‌كنيم؟

اگر اهل تماشاي سريال Rick and Morty باشيد، حتما آن قسمت از سريال را به خاطر داريد كه ريك و مورتي وارد باتري سفينه‌ي فضايي‌شان مي‌شوند كه در واقع ميكروجهاني است كه ريك درون باتري خلق كرده. كمي بعد متوجه مي‌شويم كه مردمان اين ميكروجهان هم دنياي كوچك‌تري براي خودشان داخل باتري خلق كرده‌اند؛ جهاني در جهاني در جهان ديگر؛ چيزي شبيه عروسك ماتريوشكا يا جعبه‌هايي با اندازه‌هاي متفاوت كه درون يكديگر قرار گرفته‌اند.

 حالا اگر اهل بازي باشيد، حتما در جريان بازي‌هاي سبك شبيه‌سازي مثل The Sims (كه نامش از واژه‌ي simulation به ‌معني شبيه‌سازي گرفته شده است)، Minecraft و بازي‌هاي مشابه هستيد كه در آن مثل ريك مي‌توانيد دنياي خودتان را آن طور كه دوست داريد، خلق كنيد. 

حالا تصور كنيد افراد شبيه‌سازي‌شده‌ي بازي شما هم دنياي ديگري داخل اين دنياي مجازي خلق كنند. تصورش ممكن است؛ چون جعبه‌ي بزرگ‌تر هميشه از جعبه‌ي كوچك‌تر درونش خبر دارد. اما آيا اين جعبه‌ي كوچك از وجود جعبه‌ي بزرگ‌تر كه آن را در بر گرفته، آگاه است؟

موجود شبيه‌ساز درون باتري سفينه‌ي ريك در حال نشان دادن دنياي شبيه‌ساز خود در باتري ديگر

حالا بيايد خودمان را جاي اين جعبه بگذاريم. ما از دنياهاي شبيه‌سازي‌شده در بازي‌هاي كامپيوتري و فيلم‌ها آگاهيم؛ اما آيا مي‎توانيم تصور كنيم كه خود ما نيز در دنيايي شبيه‌سازي‌شده زندگي مي‌كنيم؟ يعني ما جعبه‌ي كوچك‌تري هستيم درون جعبه‌اي بزرگ‌تر. واكنش ما به اين ادعا احتمالا همانقدر ناباورانه و بي‌اعتنا است كه واكنش ريك اگر قرار بود به او بگوييم او چيزي جز يك كاراكتر تخيلي در كارتوني دوبعدي نيست. 

اين مقدمه‌ي طولاني را گفتم تا قبل از پرداختن به اينكه‌ آيا دنياي ما هولوگرام است يا خير، اين نكته را در انديشه متخصصين بگيريم كه طبيعي است تصور چنين مفهومي براي ما بسيار سخت و حتي ناممكن باشد (و چون تصورش سخت است، الزاما دليل بر نادرست بودن قطعي آن نيست)؛ اما وقتي در فرمول‌هاي رياضي، جهان به‌صورت هولوگرافيك در انديشه متخصصين گرفته مي‌شود، كار فيزيكدان‌ها بسيار ساده‌تر خواهد شد. به عبارت ديگر، تصور جهان هولوگرافيك در معادلات رياضي آسان‌تر از تصور آن در ذهن است. 

به اعتقاد برخي فيزيكدان‌ها، جهاني كه ما در آن زندگي مي‌كنيم، احتمالا يك هولوگرام است. صبر كنيد؛ زياد هيجان‌زده يا وحشت‌زده نشويد. منظور از جهان هولوگرافيك دنياي شبيه‌سازي‌شده‌ي فيلم ماتريكس نيست، بلكه منظور اين است كه به انديشه متخصصين مي‌رسد جهان ما سه‌بعدي است و مي‌توان هر چيزي را در ابعاد طول، عرض و ارتفاع آن لمس و تجربه كرد؛ اما در واقعيت احتمالا فقط دو بعد دارد و عمقي در كار نيست؛ اين انديشه متخصصينيه «اصل هولوگرافيك» نام دارد.

طرح مفهومي از انديشه متخصصينيه‌ي رسيمان (string theory)

طبق اين اصل كه برگرفته از انديشه متخصصينيه‌ي ريسمان است - كه مي‌گويد تمام ذرات، رشته‌هايي تك‌بعدي‌اند كه ارتعاشات آن‌ها جرم و انرژي‌شان را تعيين مي‌كند)، سطحي دوبعدي همچون اَبرحافظه‌اي در دوردست‌ها، تمام داده‌اي كه لازم است جهان ما را به‌طور كامل توصيف كند، در خود جاي داده است و درست شبيه يك هولوگرام، اين داده طوري نمايش داده مي‌شود كه انگار سه بعد دارد؛ مانند شخصيت‌هاي روي پرده‌ي سينما، ما انسان‌ها و تمام اشياء اطراف‌مان درون سطح صافي قرار داريم كه فقط به انديشه متخصصين مي‌رسد عمق دارد.

براي بسياري از ما، تصور چنين مفهومي نامعقول يا حتي غير ممكن به انديشه متخصصين مي‌رسد. اما وقتي فيزيكدان‌ها در محاسبات‌شان آن را درست فرض مي‌كنند، حل همه جور مسائل بزرگ فيزيكي، از جمله ماهيت سياه‌چاله‌ها و ناسازگاري نسبيت عام با مكانيك كوانتومي، بسيار ساده‌تر خواهد شد. به عبارت ديگر، قوانين فيزيك وقتي به ‌جاي سه بعد، در دو بعد نوشته مي‌شوند، قابل درك‌تر خواهند شد.

نخستين فردي كه به‌طور رسمي در دهه‌ي ۱۹۹۰ اصل هولوگرافيك را مطرح كرد، فيزيكدان دانشگاه استنفورد، لئونارد ساسكيند بود. به اعتقاد ساسكيند، جهان هولوگرافيك «بين اغلب فيزيكدان‌هاي انديشه متخصصيني، ديگر يك گمانه‌زني بي‌پايه و اساس تلقي نمي‌شود؛ بلكه ابزاري عادي و كارآمد است كه براي حل مسائل فيزيك به كار مي‌رود.»

ساسكيند نشان داد كه بسياري از قوانين فيزيك مي‌تواند به‌ جاي سه بعد، تنها با دو بعد رياضي توصيف شود. اين رويكرد براي كيهان‌شناسان خوشايند بود؛ چرا كه به يكي از بزرگ‌ترين معماهاي فيزيك جواب مي‌داد: طرز كار گرانش در مقياس‌هاي بي‌نهايت كوچك. بدون اصل هولوگرافيك، فيزيكدان‌ها براي درك اتفاقات درون سياه‌چاله يا لحظه‌ي تولد جهان، با چالش‌هاي بزرگي روبه‌رو مي‌شوند.  

تماشا در يوتيوب

طبق اصل هولوگرافيك، مقدار اطلاعاتي كه يك فضا در خود ذخيره مي‌كند نه به حجم، بلكه به محدوده‌ي مرزي آن منطقه بستگي دارد. به بيان ساده‌تر، اصل هولوگرافيك مي‌گويد هرچه در فضا رخ مي‌دهد، مي‌تواند با توجه به اطلاعات ذخيره‌شده در سطح آن فضا، توضيح داده شود. براي مثال، فضايي سه‌بعدي را تصور كنيد كه مانند شكل زير، درون سطح خميده‌ي يك سيلندر دوبعدي قرار گرفته است. شما درون اين فضا زندگي مي‌كنيد؛ اما شايد سايه يا بازتابي از شما روي سطح آن منعكس شده باشد.

البته طبق اصل هولوگرافيك، اطلاعات روي سطح كه به چشم ديده مي‌شوند، فقط سايه نيستند؛ بلكه تمام اطلاعات درون فضا را نشان مي‌دهد. يعني ما فقط با ديدن انعكاس دوبعدي روي سطح از ظاهر سه‌بعدي شيء درون آن آگاه مي‌شويم. 

از هر كسي بپرسيد جهان فيزيكي از چه ساخته شده است، به شما خواهد گفت از ماده و انرژي. بااين‌حال، مهندسي، زيست‌شناسي و فيزيك به ما آموخته‌اند كه اطلاعات، درست اندازه‌ي ماده و انرژي در پيكره‌بندي جهان نقش دارد. دستگاهي كه در كارخانه‌ي خودروسازي مشغول به كار است، فلز و پلاستيك در اختيار دارد؛ اما بدون دستورالعمل نمي‌داند كدام بخش را به كجا جوش دهد تا طرح نهايي خودرو توليد شود. به همين ترتيب، يك قرن پيشرفت و توسعه در علم فيزيك نشان داده است اطلاعات نقش حياتي و انكارناپذيري در سيستم‌ها و فرايندهاي فيزيكي بازي مي‌كنند. حتي از انديشه متخصصين برخي دانشمندان، جهان فيزيكي از اطلاعات ساخته شده است و ماده و انرژي تنها اتفاقي هستند.

اين تعريف جهان از ديد ياكوب بكنشتاين (فيزيكدان انديشه متخصصيني) بود كه تحقيقاتش كمك بسياري به شكل‌گيري ترموديناميك سياه‌چاله و اصل هولوگرافيك كرد.

وقتي به هرچه در جهان است، به چشم اطلاعات نگاه مي‌كنيم، ناگزير جهان را همچون ظرفي در انديشه متخصصين مي‌گيريم كه اطلاعات درون آن ريخته شده است؛ تصوير ديگر از جهان اطلاعات، ديسكي با ظرفيتي باورنكردني است كه تمام اجرام آسماني نظير ستاره‌ها و سيارات و تمام چيزهاي اطراف و روي آن‌ها (از جمله خود ما انسان‌ها) داده‌هاي صفر و يك هستيم كه روي آن رمزنگاري شده‌ايم. وقتي اين ديسك را درون دستگاه پخش مي‌گذاريم و عينك‌ سه‌بعدي‌ به چشم مي‌زنيم، مي‌توانيم جهان را چون فيلمي به ظاهر سه‌بعدي روي پرده‌ي سينما تجربه كنيم؛ با اين تفاوت كه خود ما نيز بخشي از تصاوير منعكس‌شده روي اين پرده‌ي مسطح هستيم. 

بكنشتاين در سال ۲۰۱۷ مطرح كرد كه مطالعه‌ي ويژگي‌هاي رمزآلود سياه‌چاله‌ها كمك كرده است تا فيزيكدان‌ها به ظرفيت ذخيره‌سازي اطلاعات در يك ناحيه از فضا يا مقدار مشخصي از ماده و انرژي دست پيدا كنند. طبق گفته‌ي بكنشتاين، جهاني كه ما سه‌بعدي مي‌پنداريم مي‌تواند روي سطحي دوبعدي (همچون هولوگرام) نوشته شود؛ «در اين صورت برداشت‌هاي روزمره‌ي ما از جهان سه‌بعدي، توهمي بزرگ خواهد بود يا تنها يكي از دو راه موجود براي ديدن واقعيت.» به‌گفته‌ي او، شايد يك ذره شن نتواند كل جهان را در خود جاي دهد؛ اما يك صفحه‌ي نمايش مسطح احتمالا مي‌تواند. 

 فكر مي‌كنيد در جيب‌تان چند هولوگرام داشته باشيد؟ اگر پول نقد يا كارت ملي به همراه داريد، جواب احتمالا «چندتايي» است. هولوگرام همان طرح‌هاي براق با تصاوير شبح‌واري است كه روي اسكناس يا كارت‌هاي اعتباري چاپ مي‌شود تا از جعل آن جلوگيري كند. اگر آن گردنبند‌هاي طرح چشم را كه در دهه‌ي ۶۰ در ايران محبوب بود و با بالا و پايين كردن پلك مي‌زد به خاطر داريد، آن‌ها هم هولوگرام بودند. 

هولوگرام در واقع تصوير سيستمي است كه با ابعاد كمتر از آن، مي‌تواند تمام اطلاعات مربوط به آن سيستم را به نمايش بگذارد. براي مثال، ما در سه بعد مكاني زندگي مي‌كنيم؛ اما وقتي از خودمان سلفي مي گيريم، دوربين تنها دو بعد از صورت ما را ثبت مي‌كند و ما هرچه عكس را بچرخانيم، قادر نيستيم پشت سرمان را در تصوير ببينيم. 

حالا اگر به‌ جاي سلفي، از خودمان يك هولوگرام با جزئيات زياد تهيه كنيم، مي‌توانيم تمام اطلاعات مربوط را در آن ضبط و خودمان را از هر سه بعد مطالعه كنيم. به عبارتي، هولوگرام شبيه عكسي شبح‌وار و به ظاهر سه‌بعدي است كه درون شيشه، پلاستيك يا محفظه‌ي فلزي گير افتاده است و از تابش پرتوي ليزر و شكافت آن به دو پرتوي مجزا و تركيب دوباره‌ي آن‌ها ساخته مي‌شود.

نكته‌ي شگفت‌انگيز ديگر در مورد هولوگرام اين است كه اگر بخشي از يك فيلم حاوي هولوگرام را برش بزنيد، تمام اطلاعات هولوگرام را مي‌توانيد در همان تكه‌ي جداشده از آن بازخواني كنيد. 

سياه‌چاله يكي از پيامدهاي شگفت‌انگيز انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت عام انيشتين است كه بر اساس آن، گرانش به‌ جاي اينكه نيرويي نامريي باشد كه اجسام را به هم جذب مي‌كند، خميدگي فضا است و هرچه جسم بزرگ‌تر باشد، خميدگي فضاي اطرافش بيشتر است. اين پيامد آنقدر غير منتظره بود كه انيشتين هم آن را به‌عنوان پيش‌بيني درستي از محاسباتش قبول نداشت و سال‌ها طول كشيد تا شواهدي كه از فضا به دست آمد، وجود سياه‌چاله را اثبات كرد. 

سياه‌چاله، محدوده‌اي در فضا با نيروي گرانش بسيار زياد است كه حتي نور (سريع‌ترين ذره‌ي كيهان) نمي‌تواند از آن فرار كند و به همين خاطر به آن سياه‌چاله مي‌گويند. 

سياه‌چاله از مرگ ستاره‌هاي غول‌پيكر ايجاد مي‌شود كه در خود فرومي‌ريزند و به اين ترتيب ميدان گرانشي شديدي در فضا ايجاد مي‌كنند. در مركز سياه‌چاله، ناحيه‌اي به نام تكينگي (singularity) وجود دارد كه اندازه‌اش تقريبا صفر اما چگالي‌اش بي‌نهايت است. اطراف سياه‌چاله، افق رويداد (event horizon) ناميده مي‌شود كه در واقع آخرين فاصله‌اي است كه نور مي‌تواند از كشش سياه‌چاله فرار كند. درون افق رويداد كه به آن نقطه‌ي بي‌بازگشت مي‌گويند، همه چيز (از جمله نور) به سمت داخل كشيده مي‌شود تا در مركز يا همان تكينگي به‌طور كامل خرد شود. 

از انديشه متخصصين دانشمندان، هر چيزي در فضا مي‌تواند به سياه‌چاله تبديل شود؛ به شرط آنكه جرم عظيمي داشته باشد. خورشيد براي اينكه در پايان عمرش به سياه‌چاله تبديل شود، لازم است جرمي ۲۰ برابر از آنچه هست، داشته باشد. 

ايده‌ي جهان هولوگرافيك از دو تناقض در مورد سياه‌چاله‌ها سرچشمه گرفت. اما قبل از اينكه به اين دو تناقض بپردازيم، خوب است نگاهي به ماهيت هولوگرافيك سياه‌چاله بيندازيم.

اواخر دهه‌ي ۱۹۹۰ فيزيكدان‌هاي انديشه متخصصيني متوجه شدند وقتي ذره‌اي از اطلاعات وارد سياه‌چاله مي‌شود، سطح سياه‌چاله به مقدار بسيار دقيقي افزايش مي‌يابد؛ يعني اندازه‌ي مربع طول پلانك، حدود ۱۰ به توان منفي ۶۵ متر. 

در نگاه اول شايد دانستن اينكه سياه‌چاله با افتادن جسم يا انرژي درون آن بزرگ‌تر مي‌شود، كشف خارق‌العاده‌اي به انديشه متخصصين نرسد؛ اما نكته‌ي حيرت‌انگيز قضيه اين است كه  سطح سياه‌چاله افزايش مي‌يابد نه حجم آن. در مورد اغلب اجرامي كه مي‌شناسيم اين قضيه كاملا برعكس است. وقتي ماده، ذره‌اي داده «مي‌بلعد»، حجمش به اندازه‌ي يك واحد افزايش مي‌يابد؛ اما افزايش سطح آن بسيار ناچيز است. اما وقتي ماده يا انرژي درون سياه‌چاله مي‌افتد، انگار اطلاعات مربوط به آن واقعا درون سياه‌چاله نيست، بلكه به سطح آن چسبيده است.

در نتيجه سياه‌چاله كه سيستمي سه‌بعدي در جهانِ كاملا سه‌بعدي ما است، مي‌تواند تنها با سطح دوبعدي آن درك شود و اين دقيقا مدل هولوگرافيك است.

با اين مقدمه برويم سراغ دو تناقضي كه منجر به ظهور ايده‌ي جهان هولوگرافيك شد: پارادوكس اطلاعات سياه‌چاله و مسئله‌ي آنتروپي (آشفتگي)

طرح مفهومي از تابش هاوكينگ (Hawking radiation)

در سال ۱۹۷۴، استيون هاوكينگ كشف كرد كه سياه‌چاله‌ها برخلاف چيزي كه مدت‌ها تصور مي‌شد، داراي دما هستند و در طول زمان، مقدار اندكي پرتو ساطع مي‌كنند (انديشه متخصصينيه‌ي تابش هاوكينگ). در نهايت وقتي انرژي آن‌ها به‌طور كامل از افق رويداد محو شود، خود سياه‌چاله بايد طي فرايندي به نام تبخير سياه‌چاله (black hole evaporation) به‌طور كامل ناپديد شود.

اين ايده، پارادوكس اطلاعات سياه‌چاله را به ميان كشيد. مدت‌ها است چه در فيزيك كلاسيك چه در فيزيك كوانتومي، تصور مي‌شود اطلاعات فيزيكي نمي‌تواند از بين برود. اما اگر سياه‌چاله قرار است به خاطر تابش حرارتي ناپديد يا به عبارتي تبخير شود، آن وقت تمام اطلاعات مربوط به هر شيئي كه داخل سياه‌چاله كشيده شده است ناپديد خواهد شد.

در مكانيك كوانتومي، هر چيزي، (چه ماده چه انرژي) مي‌تواند به تكه‌هايي از اطلاعات، مثلا رشته‌هايي از صفر و يك تبديل شود. نتيجه‌ي اين قانون اين است كه اطلاعات هرگز ناپديد نمي‌شوند؛ حتي اگر ماده يا انرژي مرتبط با آن درون سياه‌چاله مكيده شود. به عبارت ديگر، تمام ذرات حالت اوليه‌ي خود را حفظ مي‌كنند يا اگر دچار تغيير شدند، اين تغيير روي ذرات ديگر اثر مي‌گذارد؛ به‌گونه‌اي كه حالت اصلي ذرات اوليه را مي‌تواند از ذرات ديگر برداشت كرد.

اين فرضيه، با انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت عام انيشتين كه مي‌گويد اطلاعات بايد توسط سياه‌چاله از بين برود، مغايرت دارد. فيزيكدان‌ها به اين تناقض، «پارادوكس اطلاعات سياه‌چاله» مي‌گويند.

هاوكينگ براي رفع اين تناقض اين فرضيه را مطرح كرد كه اطلاعات توسط سياه‌چاله نابود نمي‌شود؛ چون اطلاعات اصلا به درون سياه‎چاله سقوط نمي‎كند، بلكه جايي در افق رويداد به دام مي‌افتد. در اين لايه‌ي مرزي، اطلاعات به‌صورت يك هولوگرام دوبعدي ذخيره مي‌شود.

اگر اطلاعات روي افق رويداد ذخيره مي‌شود، آيا مي‌توان آن‌ها را بازخواني كرد؟ براي درك بهتر اين موضوع، دسته‌اي كاغذ را تصور كنيد كه وارد كاغذخردكن مي‌شوند. اين دسته كاغذ به تكه‌هاي كوچك تبديل مي‌شود كه نوشته‌ي روي آن‌ها‌ را نمي‌توان به اين صورت خواند؛ اما اطلاعات هنوز روي تكه‌هاي كاغذ وجود دارد و از بين نرفته است. اگر اين تكه‌ها دوباره به هم متصل شود، مي‌توان نوشته‌ي روي آن‌ها را خواند؛ در مورد ذرات همين تصور وجود دارد.

هاوكينگ ابتدا تصور مي‌كرد فوتون‌هايي كه هنگام تابش از افق رويداد جدا مي‌شوند، هيچ اطلاعات معناداري با خود حمل نمي‌كنند؛ اما بعد انديشه متخصصينش تغيير كرد و گفت اين تابش مي‌تواند راهي براي فرار اطلاعات از سياه‌چاله و در نتيجه نجات‌ از ناپديد شدن باشد. از انديشه متخصصين هاوكينگ، اشكال فقط اينجا است كه اين اطلاعات «به‌صورت بي‌نظم و بي‌فايده» از سطح سياه‌چاله ساطع مي‌شوند و «اگر بخواهيم به‌طور عملي به قضيه نگاه كنيم، بايد بگوييم  اطلاعات در هر صورت از دست رفته است.»

از طرفي، ساسكيند و خرارد هوفت (فيزيكدان هلندي) كه به شكل‌گيري «اصل هولوگرافيك» كمك كردند، در اواسط دهه‌ي  ۹۰ سعي كردند براي رفع اين پارادوكس توضيحي ارائه دهند. به گفته‎ي آن‌ها، وقتي جسمي درون سياه‌چاله كشيده مي‌شود، روي افق رويداد نقشي دوبعدي از خود به‌ جاي مي‌گذارد. هنگام تابش هاوكينگ، پرتوي ساطع‌شده از سطح سياه‌چاله، اين نقش دوبعدي را به خود مي‌گيرد و به اين ترتيب از محو شدن اطلاعات به همراه سياه‌چاله جلوگيري مي‌شود. 

محاسبات اين دو فيزيكدان نيز نشان داد كه تنها روي سطح دوبعدي سياه‌چاله مي‌توان آنقدر اطلاعات ذخيره كرد تا بتوان هر جسم ظاهرا سه‌بعدي درون آن را توصيف كرد. اين طرز فكر در مورد اطلاعات سياه‌چاله را انديشه متخصصينيه‌ي ريسمان همراهي مي‌كند كه به اعتقاد برخي فيزيكدان‌ها، راه حلي براي برقراري پيوند نسبيت عام و مكانيك كوانتوم و اعمال تئوري كوانتوم به گرانش است.

آنتروپي كه عموما به‌عنوان معيار آشفتگي و بي‌نظمي در انديشه متخصصين گرفته مي‌شود، به تعداد دفعاتي اشاره دارد كه بخش‌هاي دروني يك شيء مي‌تواند بدون ايجاد تغيير در حالت كلي آن،‌ جا‌به‌جا شوند. مثلا در يك اتاق شلوغ و به‌هم‌ريخته (آنتروپي بالا) مي‌توانيد به‌طور تصادفي اشياء داخل اتاق را به هر شكلي كه خواستيد جا‌به‌جا كنيد و اتاق همچنان شلوغ و به‌هم‌ريخته باقي خواهد ماند. در مقابل، اگر اتاق مرتب و منظم باشد (آنتروپي پايين) جا‌به‌جا كردن اشيا باعث مي‌شود نظم اتاق به هم بريزد و حالت اوليه‌اش را از دست بدهد. از محاسبه‌ي ميزان آنتروپي در طراحي تمام دستگاه‌هاي ارتباطي مدرن، از موبايل‌ موبايل گرفته تا پخش‌كننده‌ي لوح فشرده،‌ استفاده مي‌شود.

طبق قانون دوم ترموديناميك، هر اتفاقي كه درون سيستم مي‌افتد، آنتروپي آن را افزايش مي‌دهد و آنتروپي نمي‌تواند ثابت باشد يا كاهش يابد. ازآنجاكه تمام ماده در سياه‌چاله در تكينگي (نقطه‌اي با اندازه‌ي تقريبا صفر با چگالي بي‌نهايت) متمركز مي‌شود، هيچ جايي براي افزايش آنتروپي در آن وجود ندارد و به همين خاطر فيزيكدان‌ها معتقد بودند سياه‌چاله در تناقض با قانون دوم ترموديناميك، آنتروپي ندارد.

از طرفي، شرط ديگر براي آنتروپي، داشتن دماي بالاي صفر مطلق (۲۷۳٫۱۵- درجه‌ي سلسيوس) است؛ و ازآنجاكه هر شيء با دماي بالاي صفر مطلق بايد نور ساطع كند و چون تصور مي‌شد سياه‌چاله در هيچ طول موجي نور ساطع نمي‌كند، فيزيكدان‌ها را بيش‌ازپيش مطمئن كرد آنتروپي براي سياه‌چاله تعريف نشده است.

اين يافته از اين جهت شگفت‌انگيز است كه آنتروپي سيستمي سه‌بعدي، به‌جاي حجم تنها با سطح دوبعدي آن محاسبه شده بود؛ و اين دقيقا همان نقطه‌اي بود كه برخي فيزيكدان‌ها را به ماهيت هولوگرافيك بودن سياه‌چاله سوق داد. 

تمام اين فرضيات و انديشه متخصصينيات به‌ معني اثبات هولوگرافيك بودن سياه‌چاله نيست. اما به‌گفته‌ي ساسكيند، تصور دوبعدي بودن جهاني كه تنها سه‌بعدي به انديشه متخصصين مي‌رسد، به حل مسائل عميق در فيزيك انديشه متخصصيني كمك زيادي خواهد كرد و فرمول‌هاي رياضي كه براي حل اين مسائل به كار مي‌رود در مورد هرچيزي، چه سياه‌چاله چه سياره و چه كل جهان، يكي است.   

در سال ۱۹۸۹ خوان مالداسنا (فيزيك‌دان انديشه متخصصيني آرژانتيني) نشان داد چگونه يك جهان فرضي مي‌تواند هولوگرام باشد. جهان فرضي او به شكل فضاي پاددوسيتر (AdS) در انديشه متخصصين گرفته شده است. اين فضا به بيان ساده، هيچ ماده يا انرژي در خود ندارد (در نتيجه خبري از نيروي گرانش نيست)، خطوط موازي در نهايت از هم دور مي‌شوند و در فاصله‌اي بسيار بسيار دور، طوري به سمت داخل خميده مي‌شود كه به شكل زين به انديشه متخصصين مي‌رسد؛ اين در حالي است كه منتهي‌اليه جهان واقعي ما - كه به آن فضاي دوسيتر (de Sitter space) گفته مي‌شود - مسطح است و خميدگي ندارد.

فضاي خميده‌ي پاددوسيتر‌ (سمت چپ) در مقابل فضاي مسطح دوسيتر (سمت راست)

در اين فضاي فرضي، مالداسنا نشان داد كه دو معادله‌ي فيزيكي (انديشه متخصصينيه‌ي گرانش و انديشه متخصصينيه‌ي ميدان كوانتومي) كاملا هم‌ارز هستند. كشف اين تناظر كه به دوگاني مالداسنا (AdS/CFT) مشهور است، كاملا غير منتظره بود؛ زيرا اگرچه گرانش در سه بعد فضايي توصيف مي‌شود، توصيف تئوري ميدان كوانتومي تنها با دو بعد امكان‌پذير است. اينكه قوانين فيزيك نتايج مشابهي در دو و سه بعد نشان داد، ماهيت هولوگرافيك بودن فضاي پاددوسيتر را ثابت مي‌كند.

اين اولين ‌بار بود كه فردي موفق شد به‌طور واضح طرز كار هولوگرافي را در فضا نمايش دهد. اما ازآنجاكه جهان واقعي، فضاي پاددوسيتر نيست، اين سؤال پيش مي‌آيد كه آيا اصل هولوگرافيك در فضاي مسطح دوسيتر صدق مي‌كند يا خير؛ سؤالي كه هنوز جواب صددرصد قانع‌كننده‌اي برايش پيدا نشده است.

يافته‌ي مالداسنا اثباتي بر هولوگرافيك بودن جهان نيست؛ اما او با مطالعه اين جهان فرضي در دو بعد، راهي پيدا كرد تا انديشه متخصصينيه‌ي ريسمان با قوانين ثابت‌شده‌ي فيزيك ذرات سازگاري پيدا كند. مهم‌تر از همه‌ي اين‌ها، او توانست دو مفهوم ناسازگار در فيزيك را زير يك چارچوب انديشه متخصصيني بياورد. به‌گفته‌ي او، «انديشه متخصصينيه‌ي هولوگرافيك بين انديشه متخصصينيه‌ي گرانش و انديشه متخصصينيه‌ي فيزيك ذرات اتصال برقرار مي‌كند.»

تا زماني‌كه پاي بي‌نهايت وسط باشد، پيشرفت اتفاق نمي‌افتد، پيش‌بيني امكان‌پذير نيست و در نتيجه علم به بن‌بست مي‌خورد. دانشمندان تنها با تعيين حد و مقياسي مشخص قادر به توصيف و پيش‌بيني اتفاقات دنياي فيزيك هستند و مدل پاددوسيتر مالداسنا (دست ‌كم در حد انديشه متخصصينيه) توانست براي اين بي‌نهايت، حد مشخصي تعريف كند.  

فضاي پاددوسيتر به‌طور مستقيم ارتباطي با جهان واقعي ما ندارد؛ اما به دانشمندان اين امكان را مي‌دهد تا محاسباتي انجام دهند كه خارج از اين فضا بسيار دشوار يا حتي غير ممكن است. 

براي اثبات هولوگرافيك بودن جهان، نياز است مقادير فيزيكي با استفاده از انديشه متخصصينيه‌ي ميدان كوانتومي و انديشه متخصصينيه‌ي گرانش در فضاي «مسطح» محاسبه شوند و نتايج بايد با نتايجي كه از مطالعه فضاي پاددوسيتر بدست آمده است، يكسان باشد.

به‌عنوان مثال، انديشه متخصصينيه‌ي انفجار بزرگ پيش‌بيني كرد كه اين احتمال وجود دارد تا بشر بتواند نوعي انرژي باقي‌مانده از انبساط شديد را كه ۱۳٫۸ ميليارد سال پيش باعث پيدايش كيهان شده بود، پيدا كند؛ و در دهه‌ي ۱۹۶۰، ستاره‌شناسان دقيقا اين انرژي را به شكل تابش زمينه كيهاني يافتند. 

از زماني‌كه ايده‌ي هولوگرافيك بودن جهان مطرح شده است، محققان زيادي به ‌دنبال اثبات آن بوده‌اند. 

در سال ۲۰۱۵، يك تيم تحقيقاتي از دانشگاه تكنولوژي وين تصميم گرفت با آزمايشي نشان دهد آيا درهم‌تنيدگي كوانتومي كه يكي از ويژگي‌هاي اصلي مكانيك كوانتومي است، مي‌تواند با انديشه متخصصينيه‌ي گرانش بازسازي شود.

وقتي دو ذره‌ي كوانتومي در هم ‌تنيده مي‌شوند، ديگر نمي‌توان آن‌ها را جدا از هم توصيف كرد؛ بلكه اين دو يك «شيء» كوانتومي واحد را تشكيل مي‌دهند، حتي اگر فاصله‌ي زيادي بين‌شان باشد. مقياس اندازه‌گيري درهم‌تنيدگي يك سيستم كوانتومي را «آنتروپي درهم‌تنيدگي» مي‌نامند. اين تيم تحقيقاتي بعد از سال‌ها تلاش توانست نشان دهد اين آنتروپي وقتي در انديشه متخصصينيه‌ي گرانشي و انديشه متخصصينيه‌ي ميدان كوانتومي براي فضاهايي چون جهان ما محاسبه مي‌شود، مقادير يكساني به خود مي‌گيرد.

نكته‌ي حيرت‌انگيزي كه درباره‌ي اصل درهم‌تنديگي وجود دارد اين است كه هر ذره هميشه از حال ذره‌ي ديگر باخبر است؛ حتي اگر ۱۰ ميليارد كيلومتر از آن فاصله داشته باشد. اين انديشه متخصصينيه در تناقض با اصل معروف انيشتين است كه مي‌گويد هيچ ارتباطي نمي‌تواند سريع‌تر از نور حركت كند. از آن‌جايي كه شكستن سرعت نور برابر با شكستن مرز زمان است، فيزيكدان‌ها بر آن شدند تا به‌نوعي اين يافته را بدون نقض اصل انيشتين توضيح دهند. يكي از اين روش‌ها كمك گرفتن از اصل هولوگرافيك بود. 

به گفته‌ي يكي از اعضاي تيم، «اين محاسبه تصور ما را مبني بر اينكه اصل هولوگرافيك مي‌تواند در مورد فضاهاي مسطح نيز صدق كند، تأييد مي‌كند. اين همان مدركي است كه اعتبار اين تناظر در جهان واقعي را ثابت مي‌كند.» 

در مقابل اين انديشه متخصصينات بسيار خوشبينانه، دنيل گروميلر، عضو ديگري از اين تيم، گفت اين محاسبات با استفاده از انديشه متخصصينيه‌ي گرانشي سه‌بعدي و انديشه متخصصينيه‌ي زمينه‌ي كوانتومي دوبعدي صورت گرفته است؛ درحالي‌كه جهان واقعي شامل سه بعد فضايي به اضافه‌ي بعد زمان است. 

در قدم بعدي بايد محاسبات يك بعد ديگر را نيز در انديشه متخصصين گرفته شود. در ضمن مقاديرِ بسيار ديگري وجود دارد كه بايد بين انديشه متخصصينيه‌ي گرانشي و انديشه متخصصينيه‌ي ميدان‌هاي كوانتومي تناظر برقرار كند و مطالعه همه‌ي اين عوامل، يك پژوهش دنباله‌دار است.

تحقيقات محققان انگليسي، ايتاليايي و كانادايي در سال ۲۰۱۷ تلاشي بود تا نشان دهد اصل هولوگرافيك مي‌تواند در مورد جهان ما صدق كند.

در دهه‌هاي اخير پيشرفت‌ تلسكوپ و تجهيزات سنجش، به دانشمندان اين امكان را داده است تا حجم وسيعي از داده‌ي پنهان در نويز سفيد يا ريزموج ها را كه از زمان پيدايش جهان ايجاد شده‌اند، شناسايي كنند. اين تيم با استفاده از اين اطلاعات توانست مقايسه‌هاي پيچيده‌اي در رابطه با شبكه‌اي از ويژگي‌هاي اين داده و انديشه متخصصينيه‌‌ي ميدان كوانتومي انجام دهد. آن‌ها متوجه شدند كه برخي از ساده‌ترين انديشه متخصصينيات ميدان كوانتومي مي‌تواند تقريبا تمام مشاهدات كيهان‌شناسي جهان اوليه را توضيح دهد.

پروفسور اسكندريس، يكي از محققان اين تيم، مي‌گويد:

هولوگرافي يك گام بزرگ به سمت جلو در طرز نگرش ما به ساختار و پيدايش جهان است. انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت عام انيشتين تقريبا هر چيزي را در  جهان در مقياس بزرگ توضيح مي‌دهد؛ اما وقتي مي‌خواهد منشأ و مكانيزم جهان را در سطح كوانتومي مطالعه كند، شروع به از هم پاشيدن مي‌كند. دانشمندان ده‌ها سال است در تلاش‌اند انديشه متخصصينيه‌ي گرانش را با انديشه متخصصينيه‌ي كوانتومي پيوند بزنند. برخي معتقدند كه اصل جهان هولوگرافيك اين پتانسيل را دارد تا اين دو انديشه متخصصينيه را با هم آشتي دهد.

شايد پرسروصداترين تحقيق در اين زمينه مربوط فرميلب (Fermilab - آزمايشگاه فيزيك ذرات و شتاب‌دهنده‌ي آمريكايي) باشد كه در سال ۲۰۱۵ تلاش كرد به وسيله‌ي ابزار هولومتر،كه در واقع يك اشاره‌گر ليزري بسيار بزرگ و قدرتمند است، ثابت كند جهان همچون «نمايش ويديويي چهاربعدي است كه از بيت‌هاي پيكسلي اطلاعات زيراتمي (۱۰ تريليون تريليون بار كوچك‌تر از اتم) تشكيل شده.»

دستگاه هولومتر براي اثبات ماهيت «پيكسلي» جهان

به چشم ماكروسكوپي ما، همه چيز در اطراف‎مان سه‌بعدي به انديشه متخصصين مي‌رسد. اما همان‌طور كه با نزديك كردن صورت به صفحه‌ي نمايش تلويزيون مي‌توان پيكسل‌هاي تصوير را ديد، اين تيم تحقيقاتي سعي داشت نشان دهد با خيره شدن به ماده در مقياس ريزاتمي، مي‌توان بيت‌مَپ جهان هولوگرافيك را نمايان كرد. 

به‌گفته‌ي رابرت لانزا، يكي از محققان اين تيم، اين پروژه تلاشي بود در جهت تعيين اينكه آيا براي دقت اندازه‌گيري موقعيت نسبي اشياء بزرگ محدوديتي وجود دارد يا خير. اگر چنين حدي وجود داشته باشد، مي‌توان گفت اطلاعاتي كه جهان مي‌تواند ذخيره كند، محدود است. اين فرضيه در راستاي اصل هولوگرافيك است كه حد ذخيره‌ي اطلاعات در فضا-زمان را پيش‌بيني مي‌كند و مي‌گويد فضا-زمان به ظاهر سه‌بعدي ما توسط حجم محدودي از اطلاعات دوبعدي رمزگذاري شده است.

به ‌اعتقاد كريگ هوگان (مدير مركز فرميلب)، واقعيت مقدار محدودي اطلاعات در خود گنجانده است و وقتي با دقت بسيار بالا روي اجزاي سازنده‌ي آن متمركز شويم، ممكن است متوجه شويم كه تصاوير مانند تماشاي الكترونيك سريال وقتي كه پهناي باند محدود مي‌شود، كمي تار و لرزان است. 

انديشه متخصصينات استاندارد اين است كه تاروپود «واقعيت» به‌هم‌پيوسته است؛ اما تيم هوگان درصدد بود ثابت كند در مقياس بي‌نهايت كوچك، واقعيت به‌صورت پيكسلي است و در واقع «وضوح» واقعيت، حد مشخصي دارد.

آزمايش‌هاي اين تيم البته نتوانست چنين فرضيه‌اي را ثابت كند؛ ولي هوگان همچنان مصر است كه نبود «لغزش» (jitter) كوانتومي در فضا، دليلي بر رد اصل هولوگرافيك نيست. از انديشه متخصصين او، درست است كه ثابت شد فضا داراي لغزش نيست و تصاوير آن حتي زير دستگاه هولومتر، تار و پيكسلي نمي‌شود؛ اما اثبات «چرخش» (twist) كوانتومي مي‌تواند گام بعدي براي مطالعه اصل هولوگرافيك باشد.

او در مورد هولومتر گفت: «اين يك تكنولوژي جديد است و اولين نمونه براي مطالعه‌ي همبستگي‌هاي عجيب. اين تازه اولين نگاه درون يك ميكروسكوپ تازه اختراع‌شده است.»

البته ساسكيند كه به‌نوعي بنيانگذار اصل هولوگرافيك است، پيش‌فرض اين آزمايش را رد كرده و معتقد بود اين آزمايش نمي‌تواند مدركي براي اصل هولوگرافيك ارائه دهد.

اما جديدترين تلاش محققان براي اثبات اصل هولوگرافيك مربوط به مطالعه‌ي دانشگاه كاليفرنيا در سال ۲۰۱۹ است كه در آن مدل هولوگرافيكي براي جهان دوسيتر با برش دو جهان پاددوسيتر و چسباندن مرزهاي آن‌ها به يكديگر طراحي شده است. 

مثل تناظر AdS/CFT، اين مدل هم دست‌ساز و معادل دقيق جهان واقعي نيست؛ اما برخي از اصول ساخت آن مي‌تواند به هولوگرام‌هاي واقعي‌تري از فضا-زمان بسط داده شود. به‌گفته‌ي سرپرست اين تيم،‌ شي دانگ، اين مدل جديد «چارچوب يكپارچه‌اي براي گرانش كوانتومي در فضاي دوسيتر است.»

تصويري از بريدن، خميده كردن و چسباندن دو فضاي پاددوستر (AdS) و ادغام آن‌ها به شكل فضاي دوسيتر (dS)

اشكال فضاي پاددوسيتر اين است كه مرزهاي آن بي‌نهايت از مركزش دور است. براي حل اشكال بي‌نهايت، اين تيم تحقيقاتي منطقه‌ي فضا-زمان را در شعاعي وسيع برش زد و با اضافه كردن مفاهيمي از انديشه متخصصينيه‌ي ريسمان، به آن خميدگي مثبت داد. طي اين فرايند، فضاي زين‌مانند پاددوسيتر شبيه فضاي كاسه‌شكل دوسيتر شد. سپس فيزيكدان‌ها با چسباندن اين دو «كاسه» به يكديگر، توانستند يك سيستم كوانتومي يكتا تشكيل دهند كه در مقايسه با فضاي كروي دوسيتر، مانند هولوگرام تنها دو بعد دارد. 

به طول كلي بايد گفت اتفاق خاصي در زندگي روزمره‌ي ما نخواهد افتاد. همان قوانين فيزيكي كه در تمام عمر با آن‌ها زندگي كرده‌ايم، همچنان به همان صورت در كنارمان خواهند ماند. خانه، ماشين و تمام اجسامي كه ظاهري سه‌بعدي دارند، همچنان سه‌بعدي به انديشه متخصصين خواهند رسيد؛ حتي اگر بدانيم واقعيت چيز ديگري است.

اما اگر بخواهيم عميق‌تر به قضيه نگاه كنيم، اثبات هولوگرافيك بودن جهان، انقلاب بزرگي در فهم و درك ما از هستي ايجاد خواهد كرد. 

درست همان‌طور كه انديشه متخصصينيه‌ي انفجار بزرگ يا انديشه متخصصينيه‌ي درهم‌تنيدگي، تأثير چنداني در زندگي روزمره‌ي ما ندارد، اثبات هولوگرافيك بودن جهان هم در روند عادي زندگي ما تأثير چنداني نخواهد گذاشت؛ اما همان‌طور كه كشف بيگ‌بنگ براي فهم ما از تاريخچه‌ي جهان و جاي ما در كيهان حياتي است، اثبات اين اصل مي‌تواند به همان اندازه مهم باشد و درباره‌ي ماهيت بنيادين جهان، حقايق كاملا غير منتظره‌اي پيش روي بشر بگذارد.

با تمام اين اوصاف، آيا ما در جهان هولوگرافيك زندگي مي‌كنيم يا خير؟ واقعيت اين است كه حتي اگر تناظر AdS/CFT براي حل مسئله‌ي گرانش كوانتومي مفيد واقع شود، باز هم نمي‌شد گفت ما صددرصد در جهاني هولوگرافيك زندگي مي‌كنيم. اينكه اين تناظر راهي براي حل مسائل گرانشي پيدا مي‌كند، به اين معني نيست كه بايد هرچه در مورد جهان سه‌بعدي مي‌پنداشتيم دور بريزيم و با قاطعيت بگوييم ما در واقع در مرزي دو بعدي بدون گرانش زندگي مي‌كنيم؛ و حتي اگر در يك هولوگرام زندگي مي‌كرديم ، به هر حال نمي‌توانستيم تفاوت را تشخيص دهيم.

اما داشتن ديد باز، پرسيدن سؤال‌هاي عجيب و تلاش براي محقق كردن ايده‌هاي به ظاهر غير ممكن، بشر را به اين نقطه از پيشرفت در تكنولوژي رسانده است و همين طرز فكر ما را به پيشرفت‌هاي بزرگ‌تر و اكتشافات شگفت‌انگيز‌تر در كيهان خواهد رساند.

زماني نهايت درك ما از ذخيره‌ي اطلاعات، حجمي كمتر از دو مگابايت روي فلاپي ديسك بود. حالا تعداد مراكز داده در دنيا تا سال ۲۰۲۱ به ۷٫۲ ميليون خواهد رسيد و گنجايش اطلاعات ذخيره‌شده در آن‌ها به ۱۳۲۷ اگزابايت (۱۳۲۷ ميليارد گيگابايت) مي‌رسد. تصور كنيد اگر كل داده‌ي موجود در دنيا قرار بود در جزوه رايگان ذخيره شود، مي‌شد كل مساحت چين را با ۱۵ لايه جزوه رايگان پوشاند. اين حجم داده مطمئنا تا صد سال ديگر چند صد برابر خواهد شد و شايد زماني بشر به چنان حجمي از اطلاعات برسد كه بتواند كل كيهان را با آن توصيف كند و شايد آن روز بتوان ثابت كرد جهان ما يك هولوگرام است. 

انديشه متخصصين شما متخصص اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران چيست؟‌ آيا ما واقعا در جهان هولوگرافيك زندگي مي‌كنيم يا تمام اين تلاش‌ها براي اثبات دوبعدي بودن جهان هرگز به نتيجه نخواهد رسيد؟