Warum Physiker glauben, dass unser Universum ein gigantisches Hologramm ist

Wissenschaftler suchen nach den Gründen für das Wackeln und die Unschärfe unserer Welt.

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Mai 7 2015, 9:09am

Das Laserfeld ist ein Teil des Holometers. Titelbild: Fermilab

Wenn dir ein Freund erzählte, wir würden alle in einem gigantischen Hologramm leben, würdest du ihm möglicherweise erst einmal vom Kiffen abraten. Tatsächlich vertreten jedoch auch zahlreiche renommierte Physiker die gleiche groovy Hypothese: Dass es sich bei dem von uns wahrgenommenen dreidimensionalen Universum lediglich um ein über einen riesigen kosmischen Horizont projiziertes Bild eines zweidimensionalen Universums handelt.

Die 3D-Struktur der Welt ist ein elementarer Bestandteil unserer alltäglichen Wahrnehmung. Wir hinterfragen das nicht, sondern nehmen es hin–wie die Tatsache, dass die Zeit vorwärts läuft. Und trotzdem sind einige Wissenschaftler davon überzeugt, dass sich die Widersprüche zwischen Einsteins Relativitätstheorie und der Quantenmechanik auflösen, wenn wir davon ausgehen, dass jedes dreidimensionale Objekt, das wir kennen und lieben, nur eine Projektion kleiner, subatomarer Informationsbytes ist, gespeichert in einem zweidimensionalen Flächenland á la Edwin Abbott Abbott.

„Wenn das wahr ist, ist es eine wirklich wichtige Erkenntnis", erzählte mir Daniel Grumiller, theoretischer Physiker an der Technischen Universität Wien, per Telefon. Grumiller und seine Physiker-Kollegen Max Riegler, Arjun Bagchi und Rudranil Basu haben gerade die erste Studie veröffentlicht, dass mit diesem sogenannten „holographischen Prinzip"—in dem gewisse 3D-Räume mathematisch in 2D-Projektionen heruntergerechnet werden können—tatsächlich auch unser Universum beschrieben werden könnte.

„Wenn du vor vor zwanzig Jahren jemanden gefragt hättest, wie viele Dimensionen unsere Welt hat, wäre die Antwort in den meisten Fällen vermutlich 'drei räumliche Dimensionen plus die Zeit' gewesen", sagte er. „Mit dem holographischen Prinzip würde es jedoch bedeuten, dass es sich bei dieser Annahme um eine Frage der Perspektive handelt."

Das erste Mal wurde das holographische Prinzip vor über 20 Jahren als eine mögliche Erklärung für Stephen Hawkings berühmtes „Informationsparadoxon" postuliert. (Das Paradoxon besagt im Wesentlichen, dass Schwarze Löcher Informationen schlucken, was nach der Quantentheorie jedoch unmöglich ist.) Obwohl dieses Prinzip mathematisch nie für Schwarze Löcher formalisiert wurde, demonstrierte der Theoretische Physiker Juan Maldacena einige Jahre später, dass das Hologramm durchaus für einen theoretischen Ansatz des Weltalls namens Anti-de-Sitter-Raum geltend gemacht werden kann.

Wenn diese Darstellung des Weltalls korrekt ist, dann gibt es, wie bei jedem Computer, ein inhärentes Limit im Datenspeicher und der Verarbeitungskapazität des Universums.

„Der Anti-de-Sitter-Raum ist für unser Universum nicht unmittelbar relevant. Er ermöglicht jedoch Berechnungen, die ansonsten extrem schwierig bis unmöglich durchzuführen wären", erklärte Grumiller.

In diesem theoretischen Raum bewies Maldacena, dass sich zwei physikalische Gleichungen perfekt übereinander abbilden ließen: Die Gleichungen der Gravitationstheorie und der Quantenfeldtheorie. Diese Übereinstimmung ergab sich völlig unerwartet, da die Gravitation mit dreidimensionalen Räumen beschrieben wird, für die Quantenfeldtheorie aber nur zwei erforderlich sind. Liefern die Gesetze der Physik bei zwei- und dreidimensionalen Dimensionen identische Ergebnisse, deutet das sehr auf die holographische Natur der Anti-De-Sitter-Räume hin.

„Das war der erste Fall, in dem jemand detailliert erklärt hat, wie Holographie funktioniert", erzählte mir Grumiller. „Doch vorausgesetzt, dass unser Universum kein Anti-De-Sitter-Raum ist—an vielen Orten ist es vorwiegend flach—ist es interessant sich die Frage zu stellen, ob sich die holographischen Prinzipien auch auf flache Räume anwenden lassen."


Darstellung des Anti-De-Sitter-Raum. Bild: Wikipedia, Krishnavedala | CC BY-SA 3.0

Um demonstrieren zu können, dass unser Universum tatsächlich als Hologramm gesehen werden kann, müssten die physikalischen Größen mittels der Quantenfeldtheorie genauso wie der Gravitätstheorie für einen „flachen" Raum berechnet werden und die Ergebnisse übereinstimmen. Grumiller entschloss sich zu überprüfen, ob ein Hauptmerkmal der Quantenmechanik—die Quantenverschränkung—mit Hilfe der Gravitationstheorie nachgebildet werden könne.

Zwei verschränkte Quantenpartikel können nicht individuell dargestellt werden. Auch wenn sie sich weit voneinander entfernt befinden, bilden sie ein einzelnes, individuelles Quanten-„Objekt". Die Maßeinheit, die den Grad der Verschränkung von Quantensystemen beschreibt, nennt sich „Von-Neumann-Entropie". Nach ein paar Jahren Arbeit gelang Grumiller und seinen Kollegen der Beweis, dass diese Entropie bei einer Berechnung von Räumen wie dem Universum mit der Gravitationstheorie genau den selben Wert annimmt wie mit der Quantenfeldtheorie.

„Diese Rechnung bestätigt unsere Annahme, dass das holographische Prinzip auch in flachen Räumen realisiert werden kann", sagte Riegler in einer Presseerklärung. „Es ist der Beweis für die Gültigkeit dieses Zusammenhangs in unserem Universum."

Der Wissenschaftler des Fermilab Aaron Chou, links, und Brittany Kamai von der Vanderbilt University prüfen den Holometer, der für Untersuchungen eingesetzt wird, die zeigen ob das Universum ein 2D-Hologramm ist. Bild: Fermilab

Wenn sich das holographische Prinzip wirklich auf unser Universum übertragen lässt, könnte es einige Ungereimtheiten zwischen der Relativitätsphysik und der Quantenphysik, wie zum Beispiel das Informationsparadoxon, erklären. Ebenso könnten Wissenschaftler nun äußerst komplizierte Quantenprobleme mit relativ simplen Gravitationsgleichungen lösen. Bevor wir jedoch sicher sagen können, dass wir in der Matrix leben, gibt es noch einiges zu tun.

„Wir haben diese Rechnung mit Hilfe der 3D-Gravitationstheorie und der 2D-Quantenfeldtheorie vorgenommen. Das Universum hat jedoch drei räumliche Dimensionen plus Zeit", sagte Grumiller. „Der nächste Schritt ist also, diese Überlegungen zu generalisieren und in einer höheren Dimension zusammenzuführen."

Jenseits dieser theoretischen Annahmen müssen wir uns auch noch der realen Materie zuwenden und die holographische Natur unserer Wirklichkeit betrachten. Physiker der Energieabteilung am Fermilab haben sich genau das zur Aufgabe gemacht.

Letztes Jahr stellte Craig Hogan, der Direktor des Fermilab Center for Particle Astrophysics, die Vermutung auf, dass unsere makroskopische Welt wie eine Art „vierdimensionales Video-Display" aus pixelähnlichen subatomaren Informationen bestehen könnte, die zehn Billionen mal kleiner als Atome sind (Motherboard berichtete). Für unsere makroskopischen Augen erscheint alles um uns herum als dreidimensional. Es verhält sich so, wie wenn du dein Gesicht zum Fernseher hin bewegst. Bestimmte Pixel kommen dann in deinen Fokus und wenn du ganz tief in das subatomare Level eindringst, wird sich die Bitmap unseres holographischen Universums möglicherweise ganz von selbst offenbaren.

Wenn diese Darstellung des Weltalls korrekt ist, dann gibt es, wie bei jedem Computer, ein inhärentes Limit im Datenspeicher und der Verarbeitungskapazität des Universums. Dieses Limit birgt als eine Art Kontrollanzeige ein für uns messbares holographisches Rauschen.

Wie Hogan unserem Motherboard-Autoren Jason Koehler erklärte, leben wir tatsächlich in einem Hologramm. „Der grundlegende Effekt ist, dass die Realität nur eine gewisse Menge von Informationen beinhaltet, vergleichbar mit einem Netflix-Film, für den du keine ausreichende Bandbreite hast. Die Dinge scheinen also etwas verschwommen und verwackelt. Nichts steht jemals still, es gibt permanent kleine Bewegungen."

Das Wackeln der Bandbreite unserer Realität ist genau das, was Hogans Labor mit einem Instrument namens Holometer messen will. Im Grunde handelt es sich bei dem Gerät um einen sehr großen und starken Laserpointer.

„Wir wollen ermitteln, ob es ein Präzisionslimit gibt, anhand dessen wir die relativen Positionen großer Objekte messen können", berichtete mir der Forscher Robert Lanza in einer E-Mail. „Das würde eine fundamentale Beschränkung der im Universum gespeicherten Informationen darstellen."

Blick von oben in den Holometer. Bild: Fermilab

In dem eigentlichen Experiment werden mit Hilfe von zwei Michelson-Laserinterferometern die relativen Positionen großer, 40 Meter voneinander entfernter Spiegel gemessen. Diese Methode misst mit einer Präzision, die 1 Milliarde mal kleiner als ein Atom ist. Sind die Positionen der beiden Spiegel, nach der Hypothese des holographischen Rauschens, endlich, bedeutet das, dass die Forscher eine Grenze in der Positionsbestimmung erreicht hätten.

„Und was passiert dann?", sagte Lanza. „Wir rechnen einfach damit, das Rauschen messen zu können, während die Positionen in der Optik herumtanzen und sich nicht mit genauerer Präzision bestimmen lassen. Letztendlich suchen wir also nach einem experimentellen Charaktermerkmal dieses minimalen Rauschens im Universum."

Zur Zeit sammelt und analysiert das Forscherteam Daten und rechnet Ende dieses Jahres mit den ersten Ergebnissen. Lanza erzählte mir, sie seien ermutigt durch die Qualität der Instrumente, die bei weitem die höchste Empfindlichkeit aufweisen, die je für die Ermittlung von Gravitationswellen im hochfrequenten Bereich angewandt wurde.

„Die Physik der Gravitationswellen steht nicht in Zusammenhang mit holographischem Rauschen. Die Ergebnisse der Wellen zeigen uns lediglich, dass unser Instrument an der obersten Grenze der wissenschaftlichen Möglichkeiten arbeitet. Mit diesen Voraussetzungen können wir nun souverän in die Wissenschaft des holographischen Rauschens eindringen", erzählte Lanza.

Es scheint also, als müssten wir uns erst einmal gedulden, bis die Physiker die Laser abgeschossen und die mathematischen Berechnungen durchgeführt haben, bis wir wissen, ob wir in einer raffinierten Illusion leben oder nicht. Währenddessen geht mir die große Frage nicht mehr aus dem Kopf, inwiefern uns solch eine Offenbarung eigentlich beeinflussen würde.

„Diese Enthüllung würde unseren Alltag genauso wenig betreffen wie das Wissen um den Urknall oder anderen Galaxien", sagte Grumiller pragmatisch.

„Andererseits hat die Entdeckung des Urknalls unsere Sicht auf das Universum grundlegend verändert und die Existenz eines riesigen Hologramms wäre ebenfalls ein tiefgreifender Einblick in unser Universum."

Dem stimmt Lanza zu. „Es würde uns tatsächlich zu einer fundamental neuen Sichtweise unserer Realität veranlassen. Viele Menschen, mich selbst eingeschlossen, würden wohl einige Zeit damit verbringen, diese Informationen in ihren Köpfen zu ordnen", sagte er.

Das würde auch die Definition von „Simulation" grundlegend verändern. Leben wir wirklich in einem gigantischen Hologramm, sind dann all die Sim-Welten und MMOs ebenso real oder nicht real wie die Planeten in unserem Universum, die Sternencluster und Galaxien, die sich alle auf Quantenpunkte und eine kosmische Bitmap reduzieren lassen?

Die einige Sache, die wir mit Sicherheit wissen ist die: Sollte unser Universum wirkliche eine Simulation sein, ist sie perfekter als jede, die wir jemals erstellen könnten. Ein Leben in der Matrix ist also vielleicht gar nicht mal so schlecht.