Sommige natuurkundigen geloven dat we in een gigantisch hologram leven - en dat is niet zo vergezocht

TU Wenen

Sommige natuurkundigen geloven zelfs dat het universum waarin we leven een hologram kan zijn.

Het idee is niet dat het universum een ​​soort nep-simulatie is de matrix, maar eerder dat hoewel we in een driedimensionaal universum lijken te leven, het misschien maar twee dimensies heeft. Het heet de holografisch principe: .

Het denken gaat als volgt: een ver verwijderd tweedimensionaal oppervlak bevat alle gegevens die nodig zijn om onze wereld volledig te beschrijven - en net als in een hologram zullen deze gegevens naar verwachting in drie dimensies verschijnen. Net als de personages op een tv-scherm, leven we op een plat oppervlak dat eruitziet alsof het diepte heeft.



Het klinkt misschien absurd. Maar wanneer natuurkundigen in hun berekeningen aannemen dat het waar is, worden allerlei grote natuurkundige problemen - zoals de aard van zwarte gaten en het verzoenen van zwaartekracht en kwantummechanica - veel eenvoudiger op te lossen. Kortom, de wetten van de fysica lijken logischer wanneer ze in twee dimensies worden geschreven dan in drie.

mulan ik zal een man van je maken songteksten

'Het wordt door de meeste theoretische natuurkundigen niet beschouwd als een wilde speculatie', zegt Leonard Susskind , de natuurkundige van Stanford die het idee decennia geleden voor het eerst formeel definieerde. 'Het is een werkend, alledaags hulpmiddel geworden om problemen in de natuurkunde op te lossen.'

Maar hier moet een belangrijk onderscheid worden gemaakt. Er is geen direct bewijs dat ons universum eigenlijk een tweedimensionaal hologram is. Deze berekeningen zijn niet hetzelfde als een wiskundig bewijs . Het zijn eerder intrigerende suggesties dat ons universum zou kunnen een hologram. En tot nu toe geloven niet alle natuurkundigen we hebben een goede manier om het idee experimenteel te testen.

Waar kwam het idee vandaan dat het universum een ​​hologram zou kunnen zijn?

Het idee kwam oorspronkelijk voort uit een paar paradoxen over zwarte gaten.

1) Het probleem met het verlies van informatie over een zwart gat

In 1974 ontdekte Stephen Hawking op beroemde wijze: dat zwarte gaten, in tegenstelling tot wat lang werd gedacht, in de loop van de tijd in feite kleine hoeveelheden straling uitzenden. Uiteindelijk, als deze energie wegvloeit van de waarnemingshorizon - de buitenrand van het zwarte gat - zou het zwarte gat volledig moeten verdwijnen.

zwart gat

Een illustratie van straling die ontsnapt uit een zwart gat.

Wetenschap communiceren

Dit idee leidde echter tot wat bekend staat als de probleem met het verlies van informatie over zwart gat . Er is lang gedacht dat fysieke informatie niet kan worden vernietigd: alle deeltjes behouden hun oorspronkelijke vorm of, als ze veranderen, heeft die verandering invloed op andere deeltjes, dus de eerste set van de oorspronkelijke staat van deeltjes kan aan het einde worden afgeleid.

Denk bijvoorbeeld aan een stapel documenten die door een papiervernietiger worden gevoerd. Ook al zijn ze in kleine stukjes gesneden, de informatie op de stukjes papier bestaat nog steeds. Het is in kleine stukjes gesneden, maar het is niet verdwenen, en als we genoeg tijd hebben, kunnen de documenten weer in elkaar worden gezet, zodat je weet wat er oorspronkelijk op stond. In wezen werd gedacht dat hetzelfde waar was met deeltjes.

Maar er was een probleem: als een zwart gat verdwijnt, verdwijnt de informatie die aanwezig is in elk object dat erin is gezogen schijnbaar ook.

Een oplossing, voorgesteld door Susskind en Nederlandse natuurkundige Gerard 't Hooft in het midden van de jaren '90 was dat wanneer een object in een zwart gat wordt getrokken, het een soort 2D-afdruk achterlaat die is gecodeerd op de waarnemingshorizon. Later, wanneer straling het zwarte gat verlaat, pikt het de afdruk van deze gegevens op. Op deze manier wordt de informatie niet echt vernietigd.

En hun berekeningen toonden aan dat je op alleen het 2D-oppervlak van een zwart gat voldoende informatie kunt opslaan om alle schijnbaar 3D-objecten erin volledig te beschrijven.

wanneer komt het rapport uit?

'De analogie waar we allebei onafhankelijk aan dachten, was die van een hologram - een tweedimensionaal stuk film dat alle informatie in een driedimensionaal gebied van de ruimte kan coderen', zegt Susskind.

Het entropieprobleem: Er was ook het gerelateerde probleem van het berekenen van de hoeveelheid entropie in een zwart gat - dat wil zeggen, de hoeveelheid wanorde en willekeur tussen zijn deeltjes. In de jaren '70, Jacob Bekenstein had berekend dat hun entropie is afgetopt, en dat de dop evenredig is met het 2D-gebied van de waarnemingshorizon van een zwart gat.

'Voor systemen van gewone materie is de entropie evenredig met het volume, niet met de oppervlakte', zegt Juan Maldacena , een Argentijnse natuurkundige die betrokken was bij het bestuderen van het holografische principe. Uiteindelijk zagen hij en anderen dat ook dit wees op het idee dat wat eruitzag als een 3D-object - een zwart gat - het best zou kunnen worden begrepen met slechts twee dimensies.

Hoe ging dit idee van zwarte gaten naar het hele universum?

Niets van dit alles was een bewijs dat zwarte gaten hologrammen waren. Maar al vroeg, zegt Susskind, erkenden natuurkundigen dat kijken naar het hele universum als een tweedimensionaal object dat alleen ziet er uit driedimensionaal zou kunnen helpen bij het oplossen van enkele diepere problemen in de theoretische natuurkunde. En de wiskunde werkt net zo goed, of je het nu hebt over een zwart gat, een planeet of een heel universum.

In 1998, Maldacena gedemonstreerd dat een hypothetisch universum een ​​hologram zou kunnen zijn. Zijn specifieke hypothetische universum bevond zich in wat wordt genoemd anti-de Sitter ruimte (die, om de zaken te vereenvoudigen, een gebogen vorm heeft over enorme afstanden, in tegenstelling tot ons universum, waarvan wordt aangenomen dat het plat is):

anti de oppas ruimte

Anti-de Sitter-ruimte (links) buigt naar binnen. Ons universum (rechts) wordt verondersteld plat te zijn.

De natuurkundige molen

Bovendien vond hij door dit universum in twee dimensies te bekijken een manier om het steeds populairder wordende idee van: snaartheorie - een breed raamwerk waarin de basisbouwstenen van het universum eendimensionale snaren zijn, in plaats van deeltjes - keurig in overeenstemming met de gevestigde wetten van de deeltjesfysica.

En nog belangrijker, door dit te doen, verenigde hij twee enorm belangrijke, ongelijksoortige concepten in de natuurkunde onder één theoretisch kader. 'Het holografische principe verbond de zwaartekrachttheorie met theorieën over deeltjesfysica', zegt Maldacena.

Het combineren van deze twee fundamentele ideeën in een enkele coherente theorie (vaak genoemd) kwantumzwaartekracht ) blijft een van de heilige gralen van de natuurkunde. Dus het holografische principe dat het mogelijk maakte in dit hypothetische universum was een groot probleem.

Dit alles is natuurlijk nog steeds heel anders dan te zeggen dat ons werkelijke universum - niet dit rare hypothetische universum - een hologram is.

Maar zou ons universum eigenlijk een hologram kunnen zijn - of is het idee alleen van toepassing op hypothetische?

Dat is nog een kwestie van actief debat. Maar er is recent theoretisch werk gedaan dat suggereert dat het holografische principe ook voor ons universum zou kunnen werken - inclusief een high-profile papier door Oostenrijkse en Indiase natuurkundigen die afgelopen mei uitkwamen.

Net als Maldacena probeerden ze het principe ook te gebruiken om een ​​overeenkomst te vinden tussen de ongelijksoortige velden van de kwantumfysica en de zwaartekrachttheorie. In ons universum komen deze twee theorieën meestal niet overeen: ze voorspellen verschillende resultaten met betrekking tot het gedrag van een bepaald deeltje.

Maar in het nieuwe artikel berekenden de natuurkundigen hoe deze theorieën de mate van verstrikking - het bizarre kwantumfenomeen waarin de toestanden van twee kleine deeltjes gecorreleerd kunnen worden, zodat een verandering in het ene deeltje het andere kan beïnvloeden, zelfs als ze ver weg zijn. Ze ontdekten dat door een bepaald model van een plat universum als een hologram te zien, ze inderdaad de resultaten van beide theorieën konden laten overeenkomen.

Maar hoewel dit een beetje dichter bij ons universum was dan het universum waarmee Maldacena had gewerkt, was het slechts één bepaald type platte ruimte, en hun berekeningen hielden geen rekening met de tijd - alleen met de andere drie ruimtelijke dimensies. Sterker nog, zelfs als dit rechtstreeks van toepassing zou zijn op ons universum, zou het alleen maar aantonen dat het zo is mogelijk het kan een hologram zijn. Het zou geen hard bewijs zijn.

Hoe kunnen we bewijzen dat het universum een ​​hologram is?

holometer

Fermilab's Holometer, gebruikt in tests die volgens sommigen bewijs zouden kunnen vinden voor het holografische principe.

Fermilab

Het beste type bewijs zou beginnen met een toetsbare voorspelling gemaakt door holografische theorie. Experimentele natuurkundigen zouden dan bewijs kunnen verzamelen om te zien of het overeenkomt met de voorspelling. De theorie van de oerknal voorspelde bijvoorbeeld dat we een vorm van restenergie zouden kunnen aantreffen die door het heelal uitstraalt als gevolg van de gewelddadige expansie van 13,8 miljard jaar geleden - en in de jaren zestig ontdekten astronomen precies dat, in de vorm van de kosmische magnetron achtergrond .

Op dit moment is er geen algemeen aanvaarde test die stevig bewijs zou leveren voor het idee. Toch geloven sommige natuurkundigen dat het holografische principe voorspelt dat er een limiet is aan de hoeveelheid informatie die ruimtetijd kan bevatten, omdat onze schijnbaar 3D-ruimtetijd wordt gecodeerd door beperkte hoeveelheden 2D-informatie. Als Craig Hogan van Fermilab heb het onlangs op het moederbord gezet , 'Het basiseffect is dat de realiteit een beperkte hoeveelheid informatie heeft, zoals een Netflix-film wanneer Comcast je niet genoeg bandbreedte geeft. Dus de dingen zijn een beetje wazig en zenuwachtig.'

Hogan en anderen gebruiken een instrument genaamd een Holomoter om dit soort wazigheid te zoeken. Het vertrouwt op krachtige lasers om te zien of - op superkleine, submicroscopische niveaus - er een fundamentele limiet in de hoeveelheid informatie die in de ruimtetijd zelf aanwezig is. Als dat zo is, zeggen ze, kan het een bewijs zijn dat we in een hologram leven.

Toch hebben andere natuurkundigen, waaronder Susskind, verwerp het uitgangspunt van dit experiment en zeggen dat het geen enkel bewijs kan leveren voor het holografische principe.

Laten we zeggen dat we bewijzen dat het universum een ​​hologram is. Wat zou dat betekenen voor mijn dagelijks leven?

Het dagelijkse leven in een holografisch universum. (Shutterstock.com)

Het dagelijkse leven in een holografisch universum.

Shutterstock.com

In strikte zin zou het weinig betekenen. Dezelfde natuurwetten waarmee je je hele leven hebt geleefd, lijken precies hetzelfde te blijven. Je huis, hond, auto en lichaam zouden blijven verschijnen als driedimensionale objecten, net zoals ze altijd hebben gedaan.

Mike Lindell absoluut bewijs documentaire video

Maar in diepere zin zou deze ontdekking ons bestaan ​​op een diepgaand niveau revolutioneren.

Het maakt voor je dagelijkse leven niet zoveel uit dat het universum 13,8 miljard jaar werd gevormd in een plotselinge, gewelddadige expansie vanuit een enkel punt van materie. Maar de ontdekking van de oerknal is essentieel voor ons huidige begrip van de geschiedenis van het universum en onze plaats in de kosmos.

Evenzo veranderen de bizarre principes van de kwantummechanica - zoals verstrengeling, waarbij twee verre deeltjes elkaar op de een of andere manier beïnvloeden - ook niet echt je dagelijkse leven. Je kunt atomen niet zien en je merkt niet dat ze dit doen. Maar deze principes zijn een andere fundamentele waarheid die ons iets volkomen onverwachts vertelt over de fundamentele aard van het universum.

Het bewijzen van het holografische principe zou ongeveer hetzelfde zijn. Als we ons normale leven leiden, zullen we waarschijnlijk niet veel nadenken over het eigenaardige, contra-intuïtieve feit dat we in een hologram leven. Maar de ontdekking zou een belangrijke stap zijn naar het volledig begrijpen van de wetten van de natuurkunde - die elke actie dicteren die je ooit hebt ondernomen.