Is het universum een ​​hologram? Kan zijn! Deze Math Trick laat zien hoe


Het weefsel van ruimte en tijd wordt algemeen aangenomen door natuurkundigen als emergent, gestikt uit kwantumdraden volgens een onbekend patroon. En gedurende 22 jaar hebben ze een speelgoedmodel gehad van hoe de opkomende ruimtetijd kan werken: een theoretisch 'universum in een fles', zoals de ontdekker ervan, Juan Maldacena, het heeft beschreven.

Quanta Magazine


auteur foto

Wat betreft

Oorspronkelijke verhaal herdrukt met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Foundation wiens missie het is om het publieke inzicht in de wetenschap te vergroten door onderzoeksontwikkelingen en trends in wiskunde en de fysische en levenswetenschappen te behandelen.

De ruimte-tijd vult het gebied in de fles – een continuüm dat buigt en golft, en de kracht produceert die de zwaartekracht wordt genoemd – komt precies overeen met een netwerk van kwantumdeeltjes die op het stijve, zwaartekrachtvrije oppervlak van de fles leven. Het binnenste "universum" projecteert uit het lagere-dimensionale grenssysteem als een hologram. Maldacena's ontdekking van dit hologram heeft fysici een werkend voorbeeld van een kwantumtheorie van de zwaartekracht gegeven.

Maar dat betekent niet noodzakelijk dat het speelgoeduniversum laat zien hoe ruimte-tijd en zwaartekracht in ons universum naar voren komen. Het interieur van de fles is een dynamische, Escheresque plaats genaamd anti-de Sitter (AdS) ruimte die negatief gebogen is als een zadel. Verschillende richtingen op de zadelcurve op tegenovergestelde manieren, met één richting omhoog en de andere naar beneden gebogen. De rondingen neigen naar verticaal terwijl je weggaat van het centrum, waardoor AdS de ruimte uiteindelijk de buitenste grens wordt – een oppervlak waar kwantumdeeltjes kunnen samenwerken om het holografische universum binnenin te creëren. In werkelijkheid wonen we echter in een positief gebogen "de Sitter (dS) -ruimte", die lijkt op het oppervlak van een bol die zich onbeperkt uitbreidt.

Al sinds 1997, toen Maldacena de AdS / CFT-correspondentie ontdekte – een dualiteit tussen AdS-ruimte en een 'conformale veldentheorie' die kwantuminteracties beschrijft op de grens van die ruimte – hebben fysici een analoge beschrijving gezocht van ruimte-tijdregio's zoals de onze die niet zijn gebotteld. De enige "grens" van ons universum is de oneindige toekomst. Maar de conceptuele moeilijkheid van het projecteren van een hologram uit kwantumdeeltjes die in de oneindige toekomst leven, heeft de inspanningen om echte ruimte-tijd holografisch te beschrijven, lang belemmerd.

In het laatste jaar hebben drie fysici echter vooruitgang geboekt in de richting van een hologram van de Sitter-ruimte. Net als de AdS / CFT-correspondentie, is hun ook een speelgoedmodel, maar sommige van de principes van de constructie kunnen zich uitstrekken tot meer realistische ruimte-tijd hologrammen. Er is "verleidelijk bewijs", zegt Xi Dong van de universiteit van Californië, Santa Barbara, die het onderzoek leidde, dat het nieuwe model een stuk is van "een verenigd raamwerk voor kwantumzwaartekracht in de Sitter" [space].”

Dong en co-auteurs Eva Silverstein van Stanford University en Gonzalo Torroba van het Bariloche Atomic Center in Argentinië construeerden een hologram van dS-ruimte door twee AdS-universums te nemen, ze te snijden, krom te trekken en hun grenzen te verleggen.

Het snijden is nodig om een ​​problematische oneindigheid aan te pakken: het feit dat de grens van de AdS-ruimte oneindig ver verwijderd is van het centrum. (Stel een lichtstraal voor die zich oneindig over de kromming van het zadel voortbeweegt om de rand te bereiken.) Dong en co-auteurs maakten AdS ruimte eindig door het ruimte-tijdgebied met een grote straal af te hakken. Dit creëerde wat bekend staat als een "Randall-Sundrum-keel", naar de natuurkundigen Lisa Randall en Raman Sundrum, die de truc hebben bedacht. Deze ruimte wordt nog steeds benaderd door een CFT die op zijn grens leeft, maar de grens is nu een eindige afstand verwijderd.

Vervolgens voegden Dong en co-auteurs ingrediënten uit de snaartheorie toe aan twee van deze theoretische Randall-Sundrum-kelen om ze te activeren en een positieve kromming te geven. Deze procedure, 'opbeurend' genoemd, heeft de twee zadelvormige AdS-spaties omgezet in komvormige dS-spaties. De natuurkundigen zouden dan het voor de hand liggende kunnen doen: de twee kommen aan elkaar lijmen langs hun randen. De CFT's die beide hemisferen beschrijven, worden aan elkaar gekoppeld en vormen een enkelvoudig kwantumsysteem dat holografisch tweevoudig is voor de gehele sferische de Sitter-ruimte.

"De resulterende ruimte-tijd heeft geen grens, maar door de constructie is het twee tot twee CFT's," zei Dong. Omdat de evenaar van de Sitter-ruimte, waar de twee CFT's leven, zelf een Sitter-ruimte is, wordt de constructie de "dS / dS-correspondentie" genoemd.

Silverstein stelde dit basisidee voor met drie co-auteurs in 2004, maar dankzij nieuwe theoretische tools konden Dong en Torroba het dS / dS-hologram gedetailleerder bestuderen en aantonen dat het belangrijke consistentiecontroles doorstaat. In een paper dat afgelopen zomer werd gepubliceerd, berekenden ze dat de entanglemententropie – een maat voor hoeveel informatie wordt opgeslagen in de gekoppelde CFT's die op de evenaar leven – overeenkomt met de bekende entropieformule voor het overeenkomstige bolvormige gebied van de Sitter-ruimte.

Zij en andere onderzoekers verkennen het de Sitter-hologram verder met behulp van hulpmiddelen uit de informatica. Zoals ik in een recente uitgave heb beschreven Quanta In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen ontdekt dat de AdS / CFT-correspondentie precies werkt als een "kwantumfoutcorrigerende code" – een schema voor het veilig coderen van informatie in een zenuwachtig kwantumsysteem, of het nu een kwantumcomputer of een CFT is. Kwantumfoutcorrectie kan zijn hoe het opkomende weefsel van ruimte-tijd zijn robuustheid bereikt, ondanks dat het is geweven uit fragiele kwantumdeeltjes.

Dong, die deel uitmaakte van het team dat de verbinding tussen AdS / CFT en quantumfoutcorrectie ontdekte, zei: "Ik geloof dat de Sitter holografie ook werkt als een kwantumfoutcorrigerende code, en ik zou heel graag willen begrijpen hoe. "Er is weinig hoop op experimenteel bewijs dat dit nieuwe perspectief op de Sitter-ruimtetijd correct is, maar volgens Dong," je weet instinctief dat je op het goede spoor zit als de stukjes bij elkaar passen. "

Patrick Hayden, een theoretisch fysicus en computerwetenschapper aan Stanford die de AdS / CFT-correspondentie bestudeert en zijn relatie tot kwantumfoutcorrectie, zei dat hij en andere experts zich verdiepen over het dS / dS-model van Dong, Silverstein en Torroba. Hij zei dat het te vroeg is om te zeggen of inzichten over hoe ruimte-tijd is geweven en hoe kwantumzwaartekracht werkt in AdS-ruimte over zullen gaan naar een de Sitter-model. "Maar er is een pad – iets dat moet worden gedaan," zei Hayden. "Je kunt concrete wiskundige vragen formuleren. Ik denk dat er de komende jaren veel zal gebeuren. "

Oorspronkelijke verhaal herdrukt met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Foundation wiens missie het is om het publieke inzicht in de wetenschap te vergroten door onderzoeksontwikkelingen en trends in wiskunde en de fysische en levenswetenschappen te behandelen.


Meer Great WIRED Stories