Wat als er een diepere realiteit is?

Wat als ons universum een ​​illusie is?

Wat als we in een hologram leven?

Keu schemerzone muziek.

Of, alternatief, vraag universitair hoofddocent natuurkunde Matthew Headrick naar zijn onderzoek. Headrick werkt aan een van de meest geavanceerde theorieën in de theoretische natuurkunde:het holografische principe. Het stelt dat het universum een ​​driedimensionaal beeld is dat wordt geprojecteerd op een tweedimensionaal oppervlak, net zoals een hologram tevoorschijn komt uit een vel fotografische film.

"Volgens mij, de ontdekking van holografische verstrengeling en zijn veralgemeningen is tot dusver een van de meest opwindende ontwikkelingen in de theoretische natuurkunde in deze eeuw geweest, Headrick zei. "Welke andere nieuwe concepten wachten om ontdekt te worden, en welke andere onverwachte verbindingen? We kunnen niet wachten om erachter te komen."

Sinds 2016, Headrick heeft gediend als adjunct-directeur van de "It from Qubit:Quantum Fields, Zwaartekracht en informatie", een internationale inspanning van 18 wetenschappers en hun laboratoria om te bepalen of het holografische principe correct is. Het wordt gefinancierd door een 4-jarige, Subsidie ​​van $ 10 miljoen van de in New York gevestigde Simons Foundation.

Als Headrick en zijn collega's het holografische principe kunnen bewijzen, ze zullen een grote stap hebben gezet in de richting van het bereiken van de heilige graal in de theoretische natuurkunde, een grootse verenigde theorie die alle wetten en principes kan verklaren die de werkelijkheid beheersen. "We zijn er nog niet, "Hoofdrick zei, "maar we boeken vooruitgang."

Laten we het holografische principe stap voor stap opsplitsen:

Informatie

We beginnen klein, heel klein. Lange tijd werd gedacht dat het universum op zijn meest fundamentele niveau bestaat uit subatomaire deeltjes zoals elektronen of quarks. Maar nu geloven natuurkundigen dat die deeltjes bestaan ​​uit iets dat nog kleiner is:informatie.

Als natuurkundigen praten over informatie, ze bedoelen de gegevens die fysieke verschijnselen beschrijven. De massa van een voorwerp, de richting van de spin van een elektron, en e=mc^2 zijn allemaal informatie-eenheden.

Als je alle informatie hebt verzameld die er is, je zou het volledige instructieboekje hebben om alles in ons universum te bouwen.

Qubits

De kleinste niveaus van het universum worden beheerst door de wetten van de kwantummechanica. Hier beginnen dingen heel raar en contra-intuïtief te worden.

Eenheden van informatie op het gebied van de kwantummechanica worden qubits genoemd.

Headrick bestudeert de kwantumverstrengeling van qubits, een heel vreemd fenomeen dat uniek is op het gebied van de kwantummechanica.

Stel dat je twee qubits hebt waarvan de waarde 1 of 0 kan zijn. Als de qubits verstrengeld zijn, hun waarden worden gecorreleerd. Als je de eerste qubit meet, de waarde ervan kan 0 blijken te zijn. Controleer de andere qubit, de waarde ervan kan 0 zijn, te. Maar wat als de eerste qubit een waarde van 1 heeft? De waarde van de tweede qubit kan ook veranderen in 1.

Het is alsof de qubits met elkaar communiceren, met de eerste die de tweede vertelt, "Hallo, deze natuurkundige hier heeft net ontdekt dat ik een 1 ben. Je kunt maar beter een 1 zijn. ook." Verbazingwekkend en bizar, deze communicatie kan over grote afstanden plaatsvinden met berichten die schijnbaar sneller worden doorgegeven dan de snelheid van het licht.

Qubits zijn plat

In de meeste gevallen, wanneer je een voorwerp in een pot laat vallen - we gebruiken een jelly bean - valt het naar binnen en neemt het ruimte in beslag. Doe er nog een jelly bean in, de hoeveelheid ongevulde ruimte krimpt en het volume van de jelly beans neemt toe.

Zo werkt het niet met qubits. Qubits vallen niet in de pot, maar verspreiden zich op een oppervlak. Voeg een qubit toe, het zal aan de zijkant van de pot blijven plakken. Voeg nog een qubit toe, het zal hetzelfde doen. Het verhogen van het aantal qubits verhoogt het volume niet. In plaats daarvan, het vergroot het oppervlak dat de qubits innemen.

Steeds meer qubits verspreiden zich over een plat oppervlak - zo krijg je het tweedimensionale vlak dat wordt beschreven door het holografische principe.

Dus hoe krijg je drie dimensies?

Als je eenmaal voorbij het rijk van het piepkleine gaat, de wetten van de kwantummechanica werken niet meer. Hoe vreemd het ook klinkt, op macrokosmisch niveau, je hebt andere natuurkundige wetten nodig om uit te leggen wat er aan de hand is.

Voer Einsteins relativiteitstheorie in. Om kosmische gebeurtenissen te berekenen, zoals het pad gevolgd door licht of de baan van Mercurius rond de zon, je hebt de relativiteitstheorie nodig.

De bouwstenen van relativiteit zijn ook eenheden van informatie. Nu echter, ze heten bits.

En bits gedragen zich op een manier die ons veel bekender is. Ze bestaan ​​in drie dimensies.

Dus hoe krijg je een hologram?

Laten we teruggaan naar dat tweedimensionale oppervlak bedekt met verstrengelde qubits. Aangezien de waarde van een qubit verandert afhankelijk van de waarde van het verstrengelde paar, er is een zekere mate van onbepaaldheid ingebouwd in het systeem. Als je de eerste qubit nog niet hebt gemeten, je bent niet zeker van de tweede. De hoeveelheid onzekerheid in een bepaald systeem wordt de entropie genoemd.

Naarmate qubits verstrikt en ontward raken, het niveau van entropie stijgt en daalt. Je komt terecht met velden van entropie in een constant veranderende toestand.

Het holografische principe houdt in dat onze driedimensionale wereld een representatie of projectie is van al deze activiteit die plaatsvindt op een tweedimensionaal oppervlak vol qubits.

Alles op een rijtje

Het stoort natuurkundigen altijd dat er één set regels is voor de microkosmische, kwantummechanica, en een andere voor de macrokosmische, de relativiteitstheorie. Het is niet logisch dat er in ons universum twee verschillende en onverenigbare groepen wiskundige formules aan het werk zijn. Natuurkundigen gaan ervan uit dat er een manier moet zijn om ze in harmonie te brengen.

Daarin ligt dus de centrale vraag voor Headrick en zijn collega's:beginnen in het tweedimensionale rijk van qubits en kwantummechanica en vervolgens opschalen in grootte, hoe komen we precies uit met bits en relativiteit? Het is een kwestie van een enkel wiskundig model construeren dat de transformatie verklaart.

Zoek het uit en je hebt een van de grootste mysteries in de theoretische natuurkunde opgelost. Van het kleinste tot het grootste fenomeen, we zullen een verenigde theorie van de werkelijkheid hebben.

Op dit moment blijft het holografische principe een onbewezen theorie. Waar het vervolgens toe zal leiden, is een open vraag. De kansen zijn echter het zal vreemder zijn dan alles wat tot nu toe in science fiction is bedacht.