Credit: Vienna University of Technology
Unii oameni de știință cred că universul nostru este o proiecție tridimensională a unui spațiu bidimensional. Ei numesc această teorie „principiul holografic”. Iată la ce se referă aceasta.
De obicei, numărul de lucruri diferite pe care ți le poți imagina întâmplându-se într-o parte a spațiului crește odată cu volumul. Gândiți-vă la o geantă cu particule. Cu cât geanta este mai mare, cu atât sunt mai multe particule și cu atât mai multe detalii sunt necesare pentru a descrie ce fac particulele. Aceste detalii de care aveţi nevoie pentru a explica ce se întâmplă sunt numite de fizicieni „grade de libertate”, iar numărul acestor grade de libertate este proporțional cu numărul de particule, care este proporțional cu volumul.
Cel puțin așa funcționează lucrurile în mod normal. Principiul holografic, în schimb, spune că puteți descrie ceea ce se întâmplă în interiorul sacului prin codificarea informaţiei pe suprafața acelei pungi, la aceeași rezoluție.
Poate că acest lucru nu sună remarcabil, dar este. Iată de ce. Luați un cub format din cuburi mai mici, fiecare fiind negru sau alb. Vă puteți gândi la fiecare cub mic ca la un singur bit de informație. Cât de multe informații există în cubul mare? Numărul de informaţii este egal cu numărul cuburilor mai mici. Dacă împărțiți fiecare parte a cubului mare în N bucăți, atunci vom avea N3 informaţii. Dacă, în schimb, număraţi elementele de suprafață ale cubului, la aceeași rezoluție, aveţi doar 6 x N la pătrat. Aceasta înseamnă că pentru valori mari ale lui N, există mult mai mulți biți de volum decât biți de suprafață la aceeași rezoluție.
Principiul holografic spune acum că deși există mai puțini biți de suprafață, biții de suprafață sunt suficienți pentru a descrie tot ceea ce se întâmplă în volumul dat.
Aceasta nu înseamnă că biții de suprafață corespund anumitor regiuni de volum; este ceva mai complicat. În schimb, înseamnă că biții de suprafață descriu anumite corelații între bucățile de volum. Deci, dacă vă gândiți din nou la particulele din pungă, acestea nu se vor mișca complet independent. Și asta se numește principiul holografic, adică faptul că puteți codifica evenimentele din orice volum pe suprafața volumului, la aceeași rezoluție.
Dar, puteți spune, cum de nu observăm niciodată că particulele dintr-o pungă sunt într-un fel restricționate în libertatea lor? Bună întrebare. Motivul este că lucrurile cu care ne ocupăm în viața de zi cu zi, să spunem, acea pungă de particule, nu folosesc de la distanță gradele de libertate disponibile teoretic. Observațiile noastre actuale testează doar situații mult sub limita de care principiul holografic spune că ar trebui să existe.
Limita principiului holografic contează într-adevăr numai dacă gradele de libertate sunt puternic comprimate, cum este cazul, de exemplu, pentru lucrurile care se prăbușesc într-o gaură neagră. Într-adevăr, fizica găurilor negre este unul dintre cele mai importante indicii pe care fizicienii le au pentru principiul holografic. Pentru că știm că găurile negre au o entropie care este proporțională cu aria orizontului găurii negre, nu cu volumul acesteia. Aceasta este partea importantă: entropia găurilor negre este proporțională cu suprafaţa, nu cu volumul.
În termodinamică, entropia identifică numărul de configurații microscopice diferite care au același aspect macroscopic. Deci, entropia numără cât de multe informații puteți introduce într-un obiect macroscopic dacă ați urmărit detaliile microscopice. Prin urmare, scalarea suprafeței entropiei găurii negre vă spune că, în fapt, conținutul informațional al găurilor negre este delimitat de o cantitate care este proporțională cu aria orizontului. Această relație este originea principiului holografic.
Celălalt indiciu important pentru principiul holografic provine din teoria corzilor. Acest lucru se datorează faptului că fizicienilor specializaţi în teoria corzilor le place să își aplice metodele matematice într-un spațiu-timp cu o constantă cosmologică negativă, care se numește spațiu anti-de Sitter. Cei mai mulți dintre ei cred, deși nu s-a dovedit acest lucru, strict vorbind, că gravitaţia într-un spațiu anti-de Sitter poate fi descrisă printr-o teorie diferită, care se află în întregime localizată pe limita acelui spațiu. Deşi această idee a venit din teoria corzilor, nu este nevoie de corzi pentru ca această relație între volum și suprafață să funcţioneze. Mai concret, folosește o limită în care efectele corzilor nu mai apar. Deci principiul holografic pare a fi mai general decât teoria corzilor.
Trebuie să adaug, însă, că nu locuim într-un spațiu anti-de Sitter, deoarece, după tot ce știm în prezent, constanta cosmologică din universul nostru este pozitivă. Prin urmare, nu este clar cât de mult ne spune relația volum-suprafață din spațiul anti-de Sitter despre lumea reală. Și în ceea ce privește entropia găurii negre, matematica pe care o avem în prezent nu ne spune în realitate că numără informațiile pe care le putem introduce într-o gaură neagră. În schimb, poate număra doar informațiile pe care le pierde prin deconectarea interiorului și exteriorului găurii negre. Aceasta se numește „entropia cuplării cuantice” (eng. entanglement entropy). Se modifică odată cu suprafața pentru multe sisteme, altele decât găurile negre, și nu există nimic holografic în asta.
Indiferent dacă acceptaţi sau nu explicaţiile privind principiul holografic, poate doriți să știți dacă îl putem testa. Răspunsul este: poate. La începutul acestui an, Erik Verlinde și Kathryn Zurek au propus să încercăm să testăm principiul holografic folosind interferometre de detectare a undelor gravitaționale. Ideea este că, dacă universul este holografic, atunci fluctuațiile în cele două direcții ortogonale în care brațele interferometrului se extind vor fi mai puternic corelate decât se așteaptă în mod normal. Cu toate acestea, nu toată lumea este de acord că metodele de utilizare a holografiei de către Verlinde și Zurek sunt corecte.
Personal cred că explicaţiile privind principiul holografic nu sunt deosebit de convingătoare și, în orice caz, nu vom putea testa această ipoteză în secolele următoare. Prin urmare, scrierea de lucrări despre acest subiect este o pierdere de timp. Dar este o idee interesantă și cel puțin acum știți despre ce vorbesc fizicienii când spun că universul este o hologramă.
Traducere după: Why do some scientists believe that our universe is a hologram? de Sabine Hossenfelder
Suplimentar, vă invităm să urmăriţi un videoclip pe acelaşi subiect, dar cu o altă abordare.
Universul holografic - explicat
(subtitrare în lb. engleză)
