Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og sjefforsker ved COSI Science Center. Sutter er også administrerende direktør i Ask the Spaceman og Space Radio og leder AstroTours over hele verden. Forskeren presenterte en interessant artikkel i Expert Voices-magasinet.
På slutten av 1990-tallet oppdaget teoretiske fysikere en bemerkelsesverdig sammenheng mellom to tilsynelatende ikke-relaterte begreper i sin vitenskap. Denne forbindelsen er nesten ubegripelig teknisk, men den kan ha vidtrekkende implikasjoner for vår forståelse av tyngdekraften og til og med universet. For å illustrere denne forbindelsen, la oss starte med et svart hull.
Påvirkning av et svart hull på informasjonsflyten
Forskerne fant at når en bit informasjon treffer et svart hull, øker overflatearealet med en veldig presis mengde: kvadratet av Plancks lengde, tilsvarer en utrolig liten 1,6 x 10-35 m.
Til å begynne med kan det ikke virke helt interessant at et svart hull blir større når materie eller energi kommer inn i det, men det mest overraskende er at overflate, ikke volum, vokser i direkte forhold til pålitelig informasjon. Dette er helt ulikt de fleste andre kjente objekter i universet.
Salgsfremmende video:
Bor vi i tredimensjonalt rom?
For de fleste av objektene vi er kjent med, er det en lov: Hvis den "forbruker" en bit informasjon, vil volumet vokse med en enhet, og overflatearealet vil bare vokse med en brøkdel. Men med sorte hull endrer situasjonen seg dramatisk. Det er som om informasjon ikke ligger inne i det sorte hullet, men i stedet holder seg til overflaten.
Dermed er et svart hull et fullt tredimensjonalt objekt i vårt tredimensjonale univers og kan være fullstendig representert av en todimensjonal overflate.
Hvordan fungerer hologrammer?
Et hologram er et system som bruker færre dimensjoner. Den kan pakke all informasjon fra det originale systemet.
For eksempel lever vi i tre romlige dimensjoner. Når du poserer foran kameraet, registrerer det et todimensjonalt bilde av ansiktet ditt, men det fanger ikke all informasjonen. Når du senere undersøker arbeidet ditt og bruker filteret, kan du for eksempel ikke se baksiden av hodet ditt, uansett hvordan du roterer bildet. Men hologramopptaket vil beholde all denne informasjonen. Selv om dette er en 2D-visning, kan du fremdeles utforske den fra alle 3D-vinkler.
Svart hull som et hologram
Å beskrive et svart hull som et hologram kan gi en løsning på det såkalte black hole informasjonsparadokset, mysteriet om hvor informasjon blir født når materie fortæres av et svart hull. Men det er et tema for en annen artikkel. Konseptet med et "svart hull som et hologram" er også et godt eksempel å huske på når du prøver å se hele universet.
Løsning av private problemer
Korrespondansen mellom tilsynelatende ubeslektede fysikkgrener nevnt i begynnelsen av denne artikkelen er en annen anvendelse av holografiske teknikker som kommer fra den utrolige AdS-CFT-modellen.
AdS står for Anti-De Sitter. Denne modellen representerer en spesiell løsning på Einsteins generelle relativitetsteori. Den beskriver et helt tomt univers med negativ romlig krumning.
Det er et ganske kjedelig univers: det inneholder uansett materie eller energi, og de parallelle linjene avviker til slutt basert på plasseringen til den underliggende geometrien. Selv om denne prosessen kanskje ikke beskriver universet, antyder den i det minste at livet på jorden har en begynnelse. Denne noe avslappede modellen av universet har de nødvendige matematiske egenskapene for å gjøre sammensatt teori relevant.
Feltteori
Den andre siden av korrespondansen er en struktur som kalles konform feltfeltteori. Teoretisk fysikk frastøter sine feltteorier. Dette er spakene som brukes av forskere for å lage en rekke kvanteteorier som brukes til å beskrive tre av de fire naturkreftene.
Elektromagnetisme, sterk kjernekraft og svak kjernekraft kunne beskrives gjennom feltteori, og i løpet av det siste halve århundret har menneskeheten ofte praktisert bruken av dem.
Det må forstås hvorfor denne forbindelsen er så viktig. La oss si at du prøver å løse et virkelig hardt problem som kvantetyngdekraft ved å bruke strengteori, som er et forsøk på å forklare alle de grunnleggende kreftene og partiklene i universet i form av ørsmå vibrerende strenger. Faktisk er dette et så komplekst problem at ingen har funnet en løsning for det til tross for flere tiår med forsøk.
AdS-CFT-korrespondansen forteller oss at holografiske teknikker kan brukes til å fjerne verden av denne hodepinen.
I stedet for å prøve å løse kvantetyngdekraften i vårt tredimensjonale univers, lar AdS-CFT oss gå til et tilsvarende problem i utkanten av universet, som bare er representert av to dimensjoner og ikke inneholder tyngdekraften.
Feltteoriens ligninger
Den nesten umulige matematiske beregningen av strengteori erstattes av et sett med sinnssykt vanskelig vanskelige feltteori-ligninger. Dette lar deg finne løsninger på problemer uten noen tyngdekraft, noe som forhindrer deg i å overføre løsningen tilbake til det normale tredimensjonale universet og komme med forutsigelser. Det hele ser ut som en god idé og en måte å lure naturen ved å omgå gravitasjonsmekanismer. Og det kan vise seg å være en strålende måte å "løse" kvantetyngdekraften.
Eksisterende motsetninger
Men for øyeblikket er det noen motsetninger. For det første lever vi ikke i et anti-de Sitter-univers. Universet vårt er fullt av materie, stråling og mørk energi og har en nesten helt flat geometri.
Er det en lignende korrespondanse som fungerer i vårt virkelige univers? Kanskje jobber teoretikere hardt for å finne "grensen", tatt som AdCa-CFT-korrespondanse til den kosmologiske horisonten - grensen for hva vi kan se i vårt observerbare univers.
Alt ville være forståelig, bortsett fra for øyeblikket vi lever i en dynamisk romtid med et stadig voksende rom, og denne grensen endrer seg stadig. Denne posisjonen er ikke godt forklart i moderne teorier.
Når vi går fra modellen beskrevet av astrofysiker Sitter til en enklere grensemodell ved bruk av konform feltfeltteori, er de nye likningssystemene fundamentalt løselige.
De eksisterer fortsatt, men de ser ofte fantastiske, katastrofale, skremmende og uoppløselige ut.
Så eksisterer et hologram?
Selv om AdS-CFT-koblingen viste seg å være nyttig for å løse kvantetyngdekraften, og fysikere kunne finne en måte å navigere i problemer og gjøre denne metoden relevant for universet vi lever i, betyr ikke det at vi faktisk lever i et hologram.
Det er en feil å tro at AdS-CFT-modellen er en praktisk måte å løse tyngdekraften i universet vårt med tyngdekraft i tre dimensjoner.
Dette er alt sammen en illusjon, og vi lever virkelig i todimensjonalt rom uten tyngdekraft. Et så matematisk apparat som dette, endrer ikke våre syn på virkelighetens grunnleggende natur.
Hvis holografiske prinsipper er nyttige for å løse problemer, betyr ikke det at vi lever i et hologram. Og selv om vi virkelig levde i et hologram, ville vi uansett ikke kunne fortelle forskjellen.
Maya Muzashvili
