Fragen Sie Ethan: Kann unser Universum ein Hologramm sein?

Published on March 08, 2017

Fragen Sie Ethan: Kann unser Universum ein Hologramm sein?

Ursprünglicher Autor: Ethan Siegel
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Ein Hologramm ist eines der interessantesten „flachen“ Objekte, die der Mensch geschaffen hat. Indem vollständige Informationen über ein dreidimensionales Bild in einer zweidimensionalen Ebene codiert werden, ändern Hologramme ihr Aussehen mit einem Perspektivwechsel. Viele Ergänzungen zu unserem Verständnis des Universums besagen, dass der Begriff der drei Dimensionen unserer Welt nur existiert, weil wir nicht mehr als drei wahrnehmen können; in der Tat kann es mehr geben. Darüber hinaus besteht die verführerische Möglichkeit, dass wir alle eine holographische Projektion des Universums mit einer großen Anzahl von Dimensionen sind, die aus einer bestimmten Perspektive betrachtet werden. Der Leser möchte mehr zu diesem Thema wissen und fragt:
Das holographische Universum scheint viele Probleme zu erklären. Unter der Annahme, dass ein solcher Gesichtspunkt korrekt ist, wie ist die Beziehung zwischen einer zweidimensionalen Oberfläche und einer dreidimensionalen Darstellung? Ist ein Beispiel eines herkömmlichen Hologramms zur Reflexion dieses Themas geeignet?


Wir haben Hologramme getroffen, aber die meisten Menschen wissen nicht, wie sie hergestellt werden. Die Wissenschaft dahinter ist wirklich erstaunlich.



Fotografie ist eine einfache Sache: Sie müssen das vom Objekt emittierte oder reflektierte Licht nehmen, es durch das Objektiv fokussieren und es auf einer ebenen Fläche einfangen. So funktioniert nicht nur das Foto, sondern auch Ihre Augen: Die Linse in Ihrem Auge fokussiert das Licht, und die Stäbchen mit Kegeln auf der Rückseite zeichnen es auf und senden es an das Gehirn, das das Licht verarbeitet und ein Bild erzeugt.

Mit einer speziellen Emulsion und kohärentem Licht (z. B. einem Laser) können Sie jedoch eine Karte des gesamten Lichtfelds des Objekts erstellen, bei dem es sich um ein Hologramm handelt. Sie können alle Änderungen in Bezug auf Dichte, Texturen, Transparenz usw. genau aufzeichnen. Wenn Sie diese flache zweidimensionale Karte richtig markieren, wird ein vollständiger Satz dreidimensionaler Informationen angezeigt, die aus Ihrer Sicht abgerufen werden können. Es ist jedoch überraschend, dass dies für jede Sicht möglich ist. Nachdem Sie es auf eine Metallfolie gedruckt haben, erhalten Sie ein gewöhnliches Hologramm.



Im Universum, das wir wahrnehmen, stehen uns drei räumliche Dimensionen zur Verfügung. Aber was ist, wenn es noch mehr gibt? Kann unser dreidimensionales Universum codierte Informationen über die Realität mit vier oder mehr Dimensionen enthalten, wie ein reguläres Hologramm, eine zweidimensionale Oberfläche, einen vollständigen Satz von Informationen über ein dreidimensionales Universum codiert? Es stellt sich heraus, dass es möglich ist - und sich daraus ergeben sich einige sehr lustige Möglichkeiten, aber sie haben auch wichtige Einschränkungen für das Verständnis.

Die Idee, dass unser Universum ein Hologramm sein könnte, stammt aus der Stringtheorie. Und die Stringtheorie ging aus der Annahme hervor - einem Strangmodell -, das die starken Wechselwirkungen erklärt, die innerhalb von Protonen, Neutronen und anderen Baryonen (und Mesonen) auftreten, die eine zusammengesetzte Struktur haben. Zwar gab sie eine ganze Reihe bedeutungsloser Vorhersagen ab, die nicht zu den Experimenten passten, zum Beispiel über die Existenz eines Teilchens mit einem Spin von zwei. Aber die Leute sahen, dass, wenn die Energien sehr stark waren, auf der Planck-Skala, die Saitenplattform alle bekannten fundamentalen Wechselwirkungen zusammen mit der Schwerkraft vereinen konnte, und so wurde die Saitentheorie geboren. Die Besonderheit (oder der Nachteil, wie man aussieht) dieses Versuchs, den "heiligen Gral" der Physik zu erreichen, ist jedoch, dass er unbedingt in zusätzlichen Dimensionen arbeiten muss. Es stellte sich also die Frage, wie man aus einer Theorie mit einer großen Anzahl von ihnen unser Universum mit drei räumlichen Dimensionen gewinnt. Und welche der Stringtheorien, weil sie viele sein können, ist richtig?



Vielleicht repräsentieren diese verschiedenen Versionen von stringtheoretischen Modellen tatsächlich verschiedene Teile einer fundamentalen Theorie, aus einer anderen Perspektive betrachtet. In der Mathematik werden zwei äquivalente Systeme als Dual bezeichnet, und eine der unerwarteten Entdeckungen im Zusammenhang mit einem Hologramm legt nahe, dass zwei duale Systeme manchmal eine unterschiedliche Anzahl von Dimensionen aufweisen. Die Physiker waren über diese Entdeckung sehr aufgeregt, da der Physiker Juan Maldacena 1997 die " AdS / CFT-Konformität " vorschlug, was darauf hindeutete, dass unser dreidimensionales Universum (und unsere Zeit) mit Quantenfeldtheorien, die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschreiben, dual zur Raum-Zeit ist mit einer großen Anzahl von Dimensionen ( Anti-De-Sitter-Raum ), die eine Rolle in der Quantentheorie der Schwerkraft spielen.



Bisher korrelierte die Dualität, die wir entdeckt haben, die Eigenschaften des Raums höherer Dimensionen und seiner Grenzen mit einer geringeren Anzahl von Dimensionen: einer Verringerung der Dimensionen um eins. Bisher ist nicht klar, ob wir von einer 10-dimensionalen Stringtheorie zu einem 3-dimensionalen Universum übergehen können, so dass sie sich gegenseitig verdoppeln. Die von uns erstellten zweidimensionalen Hologramme kodieren nur dreidimensionale Informationen. Wir können keine vierdimensionalen Informationen in einem zweidimensionalen Hologramm oder einem dreidimensionalen Universum in einer Dimension codieren.



Ein weiteres interessantes Merkmal der Dualität zweier Räume mit unterschiedlichen Dimensionen: Auf einer Oberfläche mit einer geringeren Anzahl von Dimensionen gibt es weniger Informationen als im Volumen des gesamten von der Oberfläche begrenzten Raums. Wenn Sie also alles messen können, was auf der Oberfläche passiert, können Sie herausfinden, was innerhalb des Volumens passiert. Was in einem Teil des Bandes geschieht, kann mit dem zusammenhängen, was an seinem anderen Ort geschieht, und nicht unabhängig davon geschehen. Das mag seltsam erscheinen, aber hier lohnt es sich, sich an die Quantenverschränkung zu erinnern, und wie das Messen der Eigenschaften eines Mitglieds eines verschränkten Systems Ihnen sofort Informationen über ein anderes verrät. Es ist möglich, dass das Hologramm mit diesem Merkmal der Natur verbunden ist.



Dualität ist eine mathematische Tatsache und eine faszinierende physikalische Möglichkeit. Wird es zu einem tieferen Verständnis unseres Universums führen? Vielleicht, aber bis jetzt wissen wir nicht genau, wie weit die Konsequenzen reichen und ob es uns den Übergang von der Eichentheorie zu einer solch begehrenswerten Quantengravitation ermöglichen wird. Aber es gibt Hoffnung. Wenn sich das Universum wirklich als Hologramm herausstellt, hat dies solche Konsequenzen!