Universet er et hologram og andre tankevækkende teorier inden for teoretisk fysik

Hvad hvis der er en dybere virkelighed derude?

Hvad hvis vores univers er en illusion?

Hvad hvis vi lever i et hologram?

Cue Twilight Zone musik.

Eller, alternativt, spørg lektor i fysik Matthew Headrick om hans forskning. Headrick arbejder på en af ​​de mest banebrydende teorier inden for teoretisk fysik-det holografiske princip. Det fastslår, at universet er et tredimensionelt billede, der projiceres ud fra en todimensionel overflade, omtrent som et hologram dukker op fra et ark fotografisk film.

"Efter min mening, opdagelsen af ​​holografisk forvikling og dens generaliseringer har hidtil været en af ​​de mest spændende udviklinger inden for teoretisk fysik i dette århundrede, "Sagde Headrick." Hvilke andre nye begreber venter på at blive opdaget, og hvilke andre uventede forbindelser? Vi kan ikke vente med at finde ud af det. "

Siden 2016 har Headrick har fungeret som vicedirektør i "It from Qubit:Quantum Fields, Tyngdekraft og information "projekt, en international indsats fra 18 forskere og deres laboratorier for at afgøre, om det holografiske princip er korrekt. Det finansieres af et 4-årigt, 10 millioner dollar tilskud fra New York-baserede Simons Foundation.

Hvis Headrick og hans kolleger kan bevise det holografiske princip, de vil have taget et stort skridt mod at opnå den hellige gral i teoretisk fysik, en stor samlet teori, der kan forklare alle love og principper for virkeligheden. "Vi er ikke der endnu, "Headrick sagde, "men vi gør fremskridt."

Lad os nedbryde det holografiske princip trin for trin:

Information

Vi starter i det små, meget lille. Det er længe blevet antaget, at universet på dets mest fundamentale niveau består af subatomære partikler som elektroner eller kvarker. Men nu mener fysikere, at disse partikler består af noget endnu mindre - information.

Når fysikere taler om information, de betyder de data, der beskriver fysiske fænomener. Objektets masse, retningen af ​​elektronens spin og e =mc^2 er alle informationsenheder.

Hvis du har samlet alle de oplysninger, der er derude, du ville have den komplette instruktionsbog til at bygge alt i vores univers.

Qubits

Universets mindste niveauer styres af kvantemekanikkens love. Her begynder tingene at blive meget mærkelige og kontraintuitive.

Informationsenheder inden for kvantemekanikken kaldes qubits.

Headrick studerer kvanteforvikling af qubits, et meget mærkeligt fænomen, der er unikt for kvantemekanikkens område.

Antag, at du har to qubits, hvis værdier enten kan være 1 eller 0. Når qubits er sammenfiltrede, deres værdier bliver korrelerede. Når du måler den første qubit, dens værdi kan vise sig at være 0. Kontroller den anden qubit, dens værdi kan være 0, også. Men hvad nu hvis den første qubit har en værdi på 1? Den anden qubits værdi kan også ændre sig til 1.

Det er som om qubitterne kommunikerer med hinanden, med den første fortæller den anden, "Hej, denne fysiker herinde fandt lige ud af, at jeg er en 1. Du må hellere være en 1, også. "Overraskende og bizart, denne kommunikation kan ske over store afstande med beskeder tilsyneladende videresendt hurtigere end lysets hastighed.

Qubits er flade

I de fleste tilfælde, når du taber en genstand i en krukke - vi bruger en gelébønne - vil den falde indeni og optage plads. Kom en anden gelébønne i, mængden af ​​ufyldt rum krymper, og mængden af ​​gelébønnerne stiger.

Det fungerer ikke på denne måde med qubits. Qubits falder ikke ned i krukken, men spredes i stedet på en overflade. Tilføj en qubit, det vil klæbe til siden af ​​krukken. Tilføj en anden qubit, det vil gøre det samme. At øge antallet af qubits øger ikke lydstyrken. I stedet, det øger overfladearealet qubits fylder.

Flere og flere qubits breder sig ud over en flad overflade-sådan får du det todimensionale plan beskrevet af det holografiske princip.

Så hvordan får du tre dimensioner?

Når du først bevæger dig ud over den teenagebitnes rige, kvantemekanikkens love virker ikke længere. Mærkeligt som det lyder, på makrokosmisk plan, du har brug for et andet sæt fysiske love for at forklare, hvad der foregår.

Indtast Einsteins relativitetsteori. For at beregne kosmiske begivenheder som stien efterfulgt af lys eller Merkur -kredsløb omkring solen, du har brug for relativitetsteorien.

Byggestenene til relativitet er også informationsenheder. Nu dog, de kaldes bits.

Og bits opfører sig på en måde, der er meget mere kendt for os. De findes i tre dimensioner.

Så hvordan får du et hologram?

Lad os gå tilbage til den todimensionelle overflade dækket af sammenfiltrede qubits. Da værdien af ​​en qubit ændres afhængigt af værdien af ​​dets sammenfiltrede par, der er en vis ubestemmelighed indbygget i systemet. Hvis du endnu ikke har målt den første qubit, du kan ikke være sikker på det andet. Mængden af ​​usikkerhed i et givet system kaldes dets entropi.

Efterhånden som qubits bliver viklet og løsrevet, niveauet af entropi stiger og falder. Du ender med felter af entropi i en konstant skiftende tilstand.

Det holografiske princip fastslår, at vores tredimensionelle verden er en repræsentation eller projektion af al denne aktivitet, der finder sted på en todimensionel overflade fuld af qubits.

Samler det hele

Det har altid generet fysikere, at der er et sæt regler for mikrokosmos, kvantemekanik, og en anden til det makrokosmiske, relativitetsteorien. Det giver ikke mening, at der skal være to forskellige og uforenelige grupper af matematiske formler, der arbejder i vores univers. Fysikere antager, at der må være en eller anden måde at bringe dem i harmoni.

Så deri ligger det centrale spørgsmål for Headrick og hans kolleger:Startende i det todimensionale område af qubits og kvantemekanik og derefter skalering i størrelse, hvor præcist ender vi med bits og relativitet? Det er et spørgsmål om at konstruere en enkelt matematisk model, der forklarer transformationen.

Find ud af det, og du har løst et af de største mysterier inden for teoretisk fysik. Fra det mindste til det største fænomen, vi vil have en samlet virkelighedsteori.

Lige nu er det holografiske princip en ubevist teori. Hvor det vil føre videre, er et åbent spørgsmål. Odds er dog det vil være fremmed end noget, man endnu forestiller sig inden for science fiction.