Paul Sutter er en astrofysiker ved Ohio State University og Chief Scientist ved COSI Science Center. Sutter er også administrerende direktør for Ask Spaceman og Space Radio og leder AstroTours over hele verden. Forskeren præsenterede en interessant artikel i magasinet Expert Voices.
I slutningen af 1990'erne opdagede teoretiske fysikere en bemærkelsesværdig forbindelse mellem to tilsyneladende ikke-relaterede begreber i deres videnskab. Denne forbindelse er næsten uforståelig teknisk, men den kan have vidtrækkende konsekvenser for vores forståelse af tyngdekraften og endda universet. For at illustrere denne forbindelse, lad os starte med et sort hul.
Indflydelse af et sort hul på informationsstrømmen
Forskerne fandt, at når en bit information rammer et sort hul, øges dets overfladeareal med en meget præcis mængde: kvadratet af Plancks længde, svarende til en utrolig lille 1,6 x 10-35 m.
Til at begynde med virker det måske ikke helt interessant, at et sort hul bliver større, når materie eller energi kommer ind i det, men det mest overraskende er, at overfladearealet, ikke volumen, vokser i direkte forhold til pålidelig information. Dette er helt i modsætning til de fleste andre kendte objekter i universet.
Salgsfremmende video:
Lever vi i tredimensionelt rum?
For de fleste af de genstande, som vi er bekendt med, er der en enkelt lov: hvis den "forbruger" en bit information, vil dens volumen vokse med én, og dens overfladeareal vokser kun med en brøkdel. Men med sorte huller ændrer situationen sig dramatisk. Det er som om information ikke findes inden i det sorte hul, men i stedet klæber til dets overflade.
Således er et sort hul et fuldt tredimensionelt objekt i vores tredimensionelle univers og kan repræsenteres fuldstændigt af en todimensionel overflade.
Hvordan fungerer hologrammer?
Et hologram er et system, der bruger færre dimensioner. Det kan pakke alle oplysninger fra det originale system.
For eksempel lever vi i tre rumlige dimensioner. Når du poserer foran kameraet, optager det et todimensionalt billede af dit ansigt, men det fanger ikke alle oplysningerne. Når du senere undersøger dit arbejde og bruger filteret, kan du for eksempel ikke se bagsiden af dit hoved, uanset hvordan du roterer billedet. Men hologramoptagelsen bevarer alle disse oplysninger. Selvom dette er en 2D-visning, kan du stadig udforske den fra alle 3D-vinkler.
Sort hul som et hologram
Beskrivelsen af et sort hul som et hologram kunne give en løsning på det såkaldte black hole information paradox, mysteriet om hvor information fødes, når materien fortæres af et sort hul. Men det er et emne for en anden artikel. Begrebet "sort hul som et hologram" er også et godt eksempel at huske på, når man prøver at se hele universet.
Løsning af private problemer
Korrespondancen mellem tilsyneladende ikke-relaterede grene af fysik, der blev nævnt i begyndelsen af denne artikel, er en anden anvendelse af holografiske teknikker, der kommer fra den utrolige AdS-CFT-model.
AdS står for Anti-De Sitter. Denne model repræsenterer en særlig løsning på Einsteins generelle relativitetsteori. Det beskriver et helt tomt univers med negativ rumlig krumning.
Det er et temmelig kedeligt univers: det indeholder ingen sag eller energi, og de parallelle linjer afviger til sidst baseret på placeringen af den underliggende geometri. Selvom denne proces muligvis ikke beskriver universet, antyder den i det mindste, at livet på jorden har en begyndelse. Denne noget afslappede model af universet har de nødvendige matematiske egenskaber for at gøre sammensat teori relevant.
Feltteori
Den anden side af korrespondancen er en struktur kaldet overensstemmelsesfeltteori. Teoretisk fysik frastøder sine feltteorier. Dette er de håndtag, som forskere bruger til at skabe en række kvante teorier, der bruges til at beskrive tre af de fire naturkræfter.
Elektromagnetisme, stærk atomkraft og svag atomkraft kunne beskrives gennem feltteori, og i løbet af det sidste halve århundrede har menneskeheden ofte praktiseret brugen af dem.
Det skal forstås, hvorfor denne forbindelse er så vigtig. Lad os sige, at du prøver at løse et virkelig hårdt problem som kvantetyngdekraft ved hjælp af strengteori, som er et forsøg på at forklare alle de grundlæggende kræfter og partikler i universet i form af små vibrerende strenge. Faktisk er dette et så komplekst problem, at ingen har fundet en løsning på det på trods af årtiers forsøg.
AdS-CFT-korrespondancen fortæller os, at holografiske teknikker kan bruges til at fjerne verdenen af denne hovedpine.
I stedet for at forsøge at løse problemet med kvantetyngdekraft i vores tredimensionelle univers, giver AdS-CFT os mulighed for at bevæge os til et ækvivalent problem i kanten af universet, som kun er repræsenteret af to dimensioner og ikke indeholder tyngdekraft.
Feltteoriens ligninger
Den næsten umulige matematiske beregning af strengteori erstattes af et sæt simpelt sindssyge vanskelige feltteori-ligninger. Dette giver dig mulighed for at finde løsninger på problemer uden nogen tyngdekraft, som forhindrer dig i at overføre løsningen tilbage til det normale tredimensionelle univers og foretage forudsigelser. Det hele ser ud som en god idé og en måde at narre naturen ved at omgå gravitationsmekanismer. Og det kunne vise sig at være en strålende måde at "løse" kvantetyngdekraften.
Eksisterende modsigelser
Men i øjeblikket er der nogle modsigelser. For det første lever vi ikke i et anti-de Sitter univers. Vores univers er fuld af stof, stråling og mørk energi og har en næsten helt flad geometri.
Er der en lignende korrespondance, der fungerer i vores rigtige univers? Det kan være, at teoretikere arbejder hårdt for at finde den "grænse", der er taget for AdCa-CFT-korrespondancen til den kosmologiske horisont - grænsen for, hvad vi kan se i vores observerbare univers.
Alt ville være forståeligt, undtagen for det øjeblik, vi lever i en dynamisk rumtid med et konstant voksende rum, og denne grænse ændres konstant. Denne holdning er ikke godt forklaret i moderne teorier.
Når vi bevæger os fra modellen beskrevet af astrofysiker Sitter til en enklere afgrænsningsmodel ved anvendelse af konform feltfeltteori, er de nye ligningssystemer grundlæggende opløselige.
De findes stadig, men de ser ofte fantastiske, katastrofale, skræmmende og uopløselige ud.
Så eksisterer et hologram?
Selv hvis AdS-CFT-linket viste sig at være nyttigt til at løse problemet med kvantetyngdekraften, og fysikere kunne finde en måde at navigere i problemer på og gøre denne metode relevant for det univers, vi lever i, betyder det ikke, at vi faktisk lever i et hologram.
Det er en fejltagelse at tro, at AdS-CFT-modellen er en bekvem måde at løse tyngdeproblemerne i vores univers med tyngdekraft i tre dimensioner.
Dette er alt sammen en illusion, og vi lever virkelig i to-dimensionelt rum uden tyngdekraft. En så praktisk matematisk enhed ændrer ikke vores syn på virkelighedens grundlæggende karakter.
Hvis holografiske principper er nyttige til løsning af problemer, betyder det ikke, at vi lever i et hologram. Og selv hvis vi virkelig boede i et hologram, ville vi alligevel ikke kunne fortælle forskellen.
Maya Muzashvili