Tech by VICE

Er is steeds meer bewijs dat ons universum een enorm hologram is

Als de theorie klopt, dan bevat ons universum een eindige hoeveelheid tweedimensionale informatie. Wow.

door Maddie Stone
06 mei 2015, 9:41am

Als een vriend je zou vertellen dat we allemaal in een enorm hologram leven, zou je 'm waarschijnlijk aanraden om minder te blowen. Maar gek genoeg denken natuurkundigen over de hele wereld er hetzelfde over: Dat alles wat we ervaren als een driedimensionaal universum eigenlijk een afdruk van een tweedimensionaal universum is, geprojecteerd op een enorm kosmisch beeldscherm.

Ja, dat klinkt gestoord. De drie dimensies van onze werkelijkheid zijn net zo fundamenteel voor onze perceptie van werkelijkheid als het voorwaartse verloop van tijd. En toch zijn er onderzoekers die geloven dat tegenstellingen tussen Einstein's relativiteitstheorie en de quantummechanica opgelost kunnen worden als de 3D-objecten die we zien, projecties zijn van kleine, subatomische bytes informatie die opgeslagen zijn in een tweedimensionale Flatland.

"Als dit waar blijkt, is dat ontzettend belangrijk," vertelt Daniel Grumiller, een theoretisch natuurkundige aan de Vienna University of Technology. Samen met natuurkundigen Max Riegler, Arjun Bagchi en Rudranil Basu, publiceerde Grumiller een onderzoek met bewijs dat het zogenaamde "holografische principe" – dat driedimensionale ruimte mathematisch gereduceerd kan worden tot 2D projecties – ons universum zou kunnen beschrijven.

"Als je iemand twintig jaar geleden had gevraagd hoeveel dimensies onze wereld heeft, zouden de meesten "drie ruimtelijke dimensies plus tijd" antwoorden," zei hij. "Het holografische principe zou betekenen dat dit eigenlijk afhangt van je perspectief."

Het holografische principe werd 20 jaar geleden opgesteld als oplossing voor Stephen Hawking's bekende "informatieparadox." Deze paradox houdt in dat zwarte gaten informatie lijken op te slokken, terwijl dat volgens quantumtheorie onmogelijk is. Hoewel het principe nooit mathematisch opgesteld is voor zwarte gaten, demonstreerde de natuurkundige Juan Maldacena een paar jaar later dat holografie kon bestaan voor zogenaamde anti-de Sitterruimte. In tegenstelling tot de ruimte in ons universum, die redelijk plat is op kosmische schaal, is de theoretische anti-de Sitterruimte gebogen als een zadel.

Als deze theorie klopt, kan ons universum, net als een computer, maar een beperkte hoeveelheid informatie opslaan

"Anti-de Sitterruimte is niet direct relevant voor ons universum, maar het staat ons toe om berekeningen te maken die anders heel moeilijk of onmogelijk zouden zijn," zegt Grumiller.

Maldacena toonde aan dat in deze theoretische ruimte, gravitatietheorie en quantummechanica perfect konden overlappen. Deze overlap was totaal onverwachts, omdat zwaartekracht in drie dimensies beschreven wordt, terwijl quantummechanica er slechts twee nodig heeft. Het feit dat deze natuurwetten dezelfde uitkomsten gaven in twee of drie dimensies wees op de holografische aard van anti-de Sitterruimte.

"Dit was de eerste keer dat iemand expliciet aantoonde hoe holografie werkt," vertelt Grumiller. "Maar aangezien ons universum geen anti-de Sitterruimte is – hij is behoorlijk plat – is het interessant om te kijken of het holografische principe ook werkt voor platte ruimte."

Afbeelding van anti-de Sitter-ruimte. afb: Wikimedia

Om te demonstreren dat ons universum ook gezien kan worden als hologram, moesten fysieke hoeveelheden uitgerekend worden met zowel quantum veldtheorie als gravitatietheorie in "platte" ruimte – met overeenkomende resultaten. Grumiller besloot om te kijken of een hoofdkenmerk van quantummechanica – quantumverstrengeling – gerepliceerd kon worden met gravitatietheorie.

Als twee quantumdeeltjes verstrengeld zijn, kunnen ze niet individueel beschreven worden. Ze worden gezien als één enkel quantumobject, zelfs als ze ver uit elkaar staan. Er is een eenheid die beschrijft hoe verstrengeld zo'n quantumsysteem is, de "entropie van verstrengeling." Na een aantal jaar zwoegen, toonden Grumiller en zijn collega's aan dat deze entropie dezelfde waarde heeft als deze wordt uitgerekend met gravitatietheorie en quantum-veldtheorie.

"Deze berekening bevestigt onze veronderstelling dat het holografische principe houdbaar is voor platte ruimte," zegt Riegler in een persbericht. "Het is bewijs voor de validiteit van deze overeenkomt in ons universum."

Beeld: Fermilab

Als het holografische principe inderdaad ons universum beschrijft, zou het kunnen helpen om inconsistenties tussen relativistische natuurkunde en quantumfysica op te lossen – waaronder de informatieparadox. Het zou onderzoekers een manier geven om een paar hele moeilijke quantumproblemen op te lossen, met een paar relatief simpele vergelijkingen. Maar voordat we zeker weten dat we in de Matrix leven, moet er een hoop werk gedaan worden.

"We voerden deze berekening uit met 3D gravitatietheorie en 2D quantum veldtheorie, maar het universum heeft eigenlijk drie dimensies plus tijd," zegt Grumiller. "De volgende stap is onze resultaten uitbreiden met nog een dimensie. Er zijn ook vele andere natuurkundige grootheden die voor beide theorieën moeten kloppen, en het gaat nog wel even duren om deze allemaal te onderzoeken."

Naast de theorie, moet een theorie als het holografische principe natuurlijk ook experimenteel gecheckt worden. En toevallig zijn wetenschappers bij Fermilab precies dat aan het doen.

Zoals we vorig jaar al schreven, denkt de directeur van het Fermilab Center for Particle Astrophyics Craig Hogan dat onze macroscopische wereld een soort "vier-dimensionaal beeldscherm" is, dat bestaat uit pixel-achtige bits informatie die 10 biljoen biljoen keer kleiner dan atomen zijn.

En net als de pixels van je beeldscherm, die zichtbaar worden als dichtbij genoeg komt, kunnen we deze pixels proberen te detecteren door heel goed te kijken. Als dit klopt dan heeft het universum, net als een computer, een beperkte data-opslag en verwerkingscapaciteit. En dat limiet heeft karakteristieken – zogenaamde 'holografische ruis' – die we kunnen meten.

Als we inderdaad in een hologram leven, is "het effect dat de realiteit een gelimiteerde hoeveelheid informatie kan overbrengen, zoals een Netflix-film op te langzaam internet. Dingen worden wazig en verspringen soms. Niets staat ooit stil, maar beweegt altijd een beetje." Deze wazigheid is precies wat Hogan's lab probeert te meten met een instrument dat ze de Holometer noemen.

"We proberen te bepalen of er een limiet zit aan de nauwkeurigheid waarmee we de relatieve posities van grote objecten kunnen bepalen," vertelt onderzoeker Robert Lanza me in een email. "Dit zou een fundamenteel limiet aangeven in de hoeveelheid informatie die opgeslagen is in het universum."

Afb:Fermilab

Het experiment dat dit probeert te bewijzen bestaat uit het meten van de relatieve afstand van twee grote spiegels op 40 meter afstand van elkaar. Hiervoor worden twee Michelson laserinterferometers gebruikt met een nauwkeurigheid van 1 miljard keer kleiner dan een atoom. Als de theorie van holografische ruis klopt, en de informatie over de afstand van de twee spiegels eindig is, dan zouden de onderzoekers op een gegeven moment een limiet bereiken waarop ze afstand niet beter kunnen bepalen.

"En wat gebeurt er dan?" zei Lanza. "We denken dat we gewoon ruis zullen meten, alsof de sensoren vibreren, en niet preciezer kunnen meten. We zoeken dus naar een onoplosbare ruis die het gevolg is van het universum dat geen data meer opslaat over de positie van de spiegels."

Het team is op het moment data aan het verzamelen en analyseren, en verwacht hun eerste resultaten eind dit jaar te publiceren. Lanza vertelde me dat ze ook enthousiast zijn over de mogelijkheid dat hun instrument gravitatiegolven zou kunnen detecteren.

"De natuurkunde van gravitatiegolven is ongerelateerd aan holografische ruis, maar de de resultaten die we krijgen tonen aan dat ons instrument extreem goed werkt. We zijn klaar om experimenteel te gaan graven in de wetenschap van holografische ruis."

Het lijkt erop dat we voorlopig moeten wachten op de natuurkundigen die de wiskunde en experimenten uitvoeren om uitsluitsel te krijgen of we in een illusie leven. Maar hoe gaat zoiets invloed hebben ons leven?

"Deze wetenschap zal geen effect hebben op het dagelijks leven, net als kennis van de Oerknal ons leven niet verandert," zei Grumiller.

"Maar net als hoe de Oerknal onze visie op het universum veranderde, is de kennis dat ons universum een hologram is een diepgaand inzicht."

Lanza is het daarmee eens. "Het zou ons dwingen om onze perceptie van de realiteit fundamenteel te veranderen, op een manier die erg moeilijk te bevatten is, zelfs voor mij."

Bewijs voor de holografische theorie zou de definitie van 'simulatie' helemaal overhoop gooien. Als we inderdaad leven in een gigantisch hologram, kunnen we dan nog zeggen dat alle simulaties en MMO's die we bouwen minder echt zijn dan onze planeten en sterren? Het zijn tenslotte ook pixels informatie op een canvas.

Misschien kunnen alleen het volgende concluderen: Als ons universum een simulatie is, is het misschien wel de meeste perfectie die wel zullen bereiken. En in dat geval is het helemaal niet zo erg om de Matrix te leven.

Was dit artikel teveel van het goede? Check hier de versie voor iedereen die natuurkunde liet vallen zodra het kon:

Wat de fuck bedoel je, het universum is een hologram?

We zijn tevens ook op zoek naar stagiairs die graag willen schrijven over alles wat met menselijke vooruitgang te maken heeft. Mail alejandro.tauber{at}vice.com voor info!