Paul Sutter är astrofysiker vid Ohio State University och chefsforskare vid COSI Science Center. Sutter är också verkställande direktör för Ask the Spaceman och Space Radio och leder AstroTours över hela världen. Forskaren presenterade en intressant artikel i tidningen Expert Voices.
I slutet av 1990-talet upptäckte teoretiska fysiker en anmärkningsvärd koppling mellan två till synes oberoende begrepp i sin vetenskap. Denna anslutning är nästan obegripligt teknisk, men den kan ha långtgående konsekvenser för vår förståelse av allvar och till och med universum. För att illustrera denna anslutning, låt oss börja med ett svart hål.
Påverkan av ett svart hål på informationsflödet
Forskarna fann att när en bit information träffar ett svart hål, ökar dess ytarea med en mycket exakt mängd: kvadratet av Plancks längd, lika med en otroligt liten 1,6 x 10-35 m.
Ursprungligen kanske det inte verkar helt intressant att ett svart hål blir större när materia eller energi kommer in i det, men det mest förvånande är att ytområdet, inte volymen, växer i direkt proportion till pålitlig information. Detta är helt till skillnad från de flesta andra kända föremål i universum.
Kampanjvideo:
Bor vi i tredimensionellt utrymme?
För de flesta av de föremål som vi känner till finns det en enda lag: om den "konsumerar" en bit information, kommer volymen att växa med en enhet, och dess ytarea kommer bara att växa med en bråkdel. Men med svarta hål förändras situationen dramatiskt. Det är som om information inte finns i det svarta hålet utan istället fastnar på ytan.
Således är ett svart hål ett helt tredimensionellt objekt i vårt tredimensionella universum och kan representeras helt av en tvådimensionell yta.
Hur fungerar hologram?
Ett hologram är ett system som använder färre dimensioner. Det kan paketera all information från det ursprungliga systemet.
Till exempel lever vi i tre rumsliga dimensioner. När du poserar framför kameran registrerar den en tvådimensionell bild av ditt ansikte, men den fångar inte all information. När du senare undersöker ditt arbete och använder filtret kan du till exempel inte se bakhuvudet, oavsett hur du roterar bilden. Men holograminspelningen behåller all denna information. Även om det här är en 2D-vy kan du fortfarande utforska den från alla 3D-vinklar.
Svart hål som ett hologram
Att beskriva ett svart hål som ett hologram kan ge en lösning på den så kallade black hole information-paradoxen, mysteriet om var information föds när materien konsumeras av ett svart hål. Men det är ett ämne för en annan artikel. Begreppet "svart hål som ett hologram" är också ett bra exempel att tänka på när man försöker se hela universum.
Lösa privata problem
Korrespondensen mellan till synes oberoende fysikgrenar som nämns i början av denna artikel är en annan tillämpning av holografiska tekniker som kommer från den otroliga AdS-CFT-modellen.
AdS står för Anti-De Sitter. Denna modell representerar en speciell lösning på Einsteins allmänna relativitetsteori. Den beskriver ett helt tomt universum med negativ rumslig krökning.
Det är ett ganska tråkigt universum: det innehåller varken energi eller energi, och de parallella linjerna avviker så småningom baserat på den underliggande geometriens position. Även om denna process kanske inte beskriver universum, tyder det åtminstone på att livet på jorden har en början. Denna något avslappnade modell av universum har de nödvändiga matematiska egenskaperna för att göra sammansatt teori relevant.
Fältteori
Den andra sidan av korrespondensen är en struktur som kallas konform fältteori. Teoretisk fysik avvisar sina fältteorier. Dessa är de spakar som används av forskare för att skapa en mängd kvantteorier som används för att beskriva tre av de fyra naturkrafterna.
Elektromagnetism, stark kärnkraft och svag kärnkraft kan beskrivas genom fältteori, och under det senaste halva seklet har mänskligheten ofta praktiserat deras användning.
Det bör förstås varför denna koppling är så viktig. Låt oss säga att du försöker lösa ett riktigt hårt problem som kvanttyngd med hjälp av strängteori, som är ett försök att förklara alla grundläggande krafter och partiklar i universum i termer av små vibrerande strängar. I själva verket är detta ett så komplicerat problem att ingen har hittat en lösning för det trots decennier av försök.
AdS-CFT-korrespondensen berättar att holografiska tekniker kan användas för att befria världen från denna huvudvärk.
Istället för att försöka lösa problemet med kvanttyngd i vårt tredimensionella universum, tillåter AdS-CFT oss att flytta till ett likvärdigt problem i universumets kant, som representeras av endast två dimensioner och inte innehåller tyngdkraften.
Fältteoriekvationer
Den nästan omöjliga matematiska beräkningen av strängteori ersätts av en uppsättning helt enkelt vansinniga svåra fältteoriekvationer. Detta gör att du kan hitta lösningar på problem utan allvar, vilket förhindrar dig från att överföra lösningen tillbaka till det normala tredimensionella universum och göra förutsägelser. Allt ser ut som en bra idé och ett sätt att lura naturen genom att kringgå gravitationsmekanismer. Och det kan visa sig vara ett lysande sätt att "lösa" kvanttyngd.
Befintliga motsägelser
Men för närvarande finns det några motsägelser. För det första lever vi inte i ett anti-de Sitter-universum. Vårt universum är fullt av materia, strålning och mörk energi och har en nästan helt platt geometri.
Finns det en liknande korrespondens som fungerar i vårt verkliga universum? Kanske arbetar teoretiker hårt för att hitta "gränsen", som tas för AdCa-CFT-korrespondens till den kosmologiska horisonten - gränsen för vad vi kan se i vårt observerbara universum.
Allt skulle vara förståeligt, förutom för tillfället att vi lever i en dynamisk rymdtid med ett ständigt växande utrymme, och denna gräns förändras ständigt. Denna ståndpunkt förklaras inte väl i moderna teorier.
När vi övergår från modellen beskriven av astrofysiker Sitter till en enklare gränsmodell som använder konform fältteori, är de nya ekvationssystemen i grunden lösbara.
De finns fortfarande, men de ser ofta fantastiska, katastrofala, skrämmande och olösliga.
Så existerar ett hologram?
Även om AdS-CFT-länken visade sig vara användbar för att lösa problemet med kvanttyngd och fysiker kunde hitta ett sätt att navigera på problem och göra denna metod relevant för det universum vi lever i, betyder det inte att vi faktiskt lever i ett hologram.
Det är ett misstag att tro att AdS-CFT-modellen är ett bekvämt sätt att lösa gravitationsproblemen i vårt universum med tyngdkraft i tre dimensioner.
Allt detta är en illusion, och vi lever verkligen i tvådimensionellt rymd utan allvar. En så bekväm matematisk enhet som inte ändrar våra åsikter om verklighetens grundläggande natur.
Om holografiska principer är användbara för att lösa problem betyder det inte att vi lever i ett hologram. Och även om vi verkligen bodde i ett hologram, skulle vi inte kunna skilja skillnaden ändå.
Maya Muzashvili
