Leben wir in einem Hologramm?

  • 27. April 2015

Zur Beschreibung des Universums braucht man eine Dimen­sion weni­ger als es den An­schein hat – eine grund­legende Eigen­schaft des Raums!

Auf den ersten Blick scheint jeder Zweifel ausgeschlossen: Das Universum sieht für uns dreidimen­sional aus. Doch eine der frucht­barsten Ideen der theore­tischen Physik in den letzten beiden Jahrzehnten stellt genau das in Frage: Das „hologra­phische Prinzip“ sagt, dass man für die Beschrei­bung unseres Universums möglicher­weise eine Dimension weniger braucht als es den Anschein hat. Was wir dreidimen­sional erleben, kann man auch als Abbild von zweidimen­sionalen Vorgängen auf einem riesigen kosmischen Horizont betrachten.

Leben wir in einem Hologramm? (Bild: TU Wien)

Abb.: Ist unser Universum ein Hologramm? (Bild: TU Wien)

Bisher wurde es nur in exotischen Raumzeiten mit negativer Krümmung studiert, die zwar theoretisch interessant sind, sich von unserem Universum aber wesent­lich unter­scheiden. Ergebnisse der TU Wien legen nun allerdings nahe, dass dieses hologra­phische Prinzip auch in flachen Raum­zeiten gilt, wie wir sie in unserem Universum beobachten.

Man kennt das von Holo­grammen auf Geld­scheinen oder Kredit­karten. Sie sind eigentlich zweidimen­sional, sehen für uns aber dreidimensional aus. Möglicher­weise verhält sich das Universum ganz ähnlich. „Schon 1997 stellte der Physiker Juan Maldacena die Vermutung auf, dass es eine Korrespondenz zwischen Gravitationstheorien in gekrümmten Anti-de-Sitter-Räumen und Quantenfeldtheorien in Räumen mit einer Dimension weniger gibt“, sagt Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien.

Man beschreibt Gravitations-Phänomene in einer Theorie mit drei Raumdimen­sionen oder das Verhalten von Quanten­teilchen in einer Theorie in zwei Raum­dimen­sionen und kann die Ergebnisse ineinander überführen. Ein solcher Zusammen­hang ist zunächst ähnlich überraschend als würde man mit den Formeln aus einem Astronomie-Lehrbuch einen CD-Player reparieren. Doch die Methode hat schon viele Erfolge gebracht. Mehr als zehntausend wissen­schaftliche Arbeiten wurden mittler­weile zu Maldacenas „AdS-CFT-Korres­pondenz“ veröffentlicht.

Für die theoretische Physik ist das zwar wichtig, doch mit unserem Universum hat das zunächst noch nichts zu tun. Wir leben nämlich definitiv nicht in einem Anti-de-Sitter-Raum. Solche Räume haben sehr merk­würdige Eigen­schaften. Sie sind negativ gekrümmt, Objekte, die man auf gerader Linie weg­wirft, kommen wieder zurück. „Unser Universum hingegen ist ziemlich flach – und auf astrono­mischen Distanzen betrachtet ist es positiv gekrümmt“, sagt Daniel Grumiller.

Er vermutete allerdings schon vor einigen Jahren, dass ein Korres­pondenz­prinzip auch für unser reales Universum gelten könnte. Um das herauszufinden, muss man Gravitationstheorien konstruieren, die keine exotischen Anti-de-Sitter-Räume brauchen, sondern in gewöhnlichen flachen Räumen zu Hause sind. Daran wird seit etwa drei Jahren in einer interna­tionalen Koope­ration von der Universität Edinburgh, Harvard, IISER Pune, dem MIT, der Universität Kyoto und der TU Wien gearbeitet. Nun veröffent­lichte Grumiller mit Kollegen aus Indien und Japan eine Arbeit, die die Korrespondenz-Vermutung in einem flachen Universum bestätigt.

„Wenn die Quantengravitation im flachen Raum eine holo­graphische Beschreibung durch eine gewöhnliche Quanten­theorie zulässt, dann muss man physikalische Größen in beiden Theorien berechnen können, und die Ergebnisse müssen übereinstimmen“, sagt Grumiller. Insbe­sondere muss sich eine Schlüsseleigenschaft der Quanten­mechanik – die Quanten­verschränkung – auch auf der Seite der Gravi­tations­theorie finden.

Wenn Quantenteilchen verschränkt sind, lassen sie sich mathematisch nicht getrennt beschreiben – sie bilden quanten­physika­lisch betrachtet ein gemeinsames Objekt, auch wenn sie weit vonein­ander entfernt sind. Ein Maß für die quantenmechanische Verschränkung ist die „Verschrän­kungs­entropie“. Gemeinsam mit Arjun Bagchi, Rudranil Basu und Max Riegler konnte Grumiller zeigen, dass man für diese Verschrän­kungs­entropie in einer flachen Quanten­gravitations­theorie und in einer niedrig­dimen­sionalen Quanten­feld­theorie tatsäch­lich denselben Wert erhält.

„Diese Rechnung bestätigt unsere Vermutung, dass das hologra­phische Prinzip auch in flachen Raum­zeiten reali­siert sein kann. Es ist somit ein Hinweis für die Gültig­keit dieses Prinzips in unserem Universum“, erklärt Max Riegler, ein Mit­glied von Grumillers Forschungs­gruppe. „Allein die Tatsache, dass wir auf der Gravitationsseite über Quanteninformationsbegriffe wie Verschränkungsentropie reden können ist verblüf­fend und war vor einigen Jahren noch schwer vorstell­bar. Dass wir sie nun sogar als Werkzeug verwenden können um die Gültig­keit des hologra­phischen Prinzips zu testen – und das dieser Test auch funktioniert hat – ist wirklich bemer­kens­wert“, sagt Grumiller. Damit ist freilich noch nicht bewiesen, dass wir tatsächlich auf einem Hologramm leben – doch die Hinweise auf die Gültig­keit des Korres­pondenz­prinzips in unserem realen Universum scheinen sich zu verdichten.

TU Wien / OD

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer