Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e Chief Scientist presso il COSI Science Center. Sutter è anche amministratore delegato di Ask the Spaceman e Space Radio e guida AstroTours in tutto il mondo. Lo scienziato ha presentato un interessante articolo sulla rivista Expert Voices.
Alla fine degli anni '90, i fisici teorici hanno scoperto una notevole connessione tra due concetti apparentemente non correlati nella loro scienza. Questa connessione è quasi incomprensibilmente tecnica, ma può avere implicazioni di vasta portata per la nostra comprensione della gravità e persino dell'universo. Per illustrare questa connessione, iniziamo con un buco nero.
L'influenza di un buco nero sul flusso di informazioni
I ricercatori hanno scoperto che quando un bit di informazione colpisce un buco nero, la sua superficie aumenta di una quantità molto precisa: il quadrato della lunghezza di Planck, pari a un incredibilmente piccolo 1,6 x 10-35 m.
Inizialmente, potrebbe non sembrare del tutto interessante che un buco nero diventi più grande quando la materia o l'energia entra in esso, ma la cosa più sorprendente è che la superficie, non il volume, cresce in proporzione diretta alle informazioni affidabili. Questo è completamente diverso dalla maggior parte degli altri oggetti conosciuti nell'universo.
Video promozionale:
Viviamo in uno spazio tridimensionale?
Per la maggior parte degli oggetti con cui abbiamo familiarità, esiste un'unica legge: se "consuma" un bit di informazione, il suo volume crescerà di un'unità e la sua superficie crescerà solo di una frazione. Ma con i buchi neri, la situazione sta cambiando drasticamente. È come se le informazioni non risiedessero all'interno del buco nero, ma si attaccassero invece alla sua superficie.
Quindi, un buco nero è un oggetto completamente tridimensionale nel nostro universo tridimensionale e può essere completamente rappresentato da una superficie bidimensionale.
Come funzionano gli ologrammi?
Un ologramma è un sistema che utilizza meno dimensioni. Può impacchettare tutte le informazioni dal sistema originale.
Ad esempio, viviamo in tre dimensioni spaziali. Quando ti metti in posa davanti alla telecamera, registra un'immagine bidimensionale del tuo viso, ma non cattura tutte le informazioni. Quando in seguito esamini il tuo lavoro e utilizzi il filtro, non puoi, ad esempio, vedere la parte posteriore della testa, indipendentemente da come ruoti l'immagine. Ma la registrazione dell'ologramma conserverà tutte queste informazioni. Anche se si tratta di una vista 2D, puoi comunque esplorarla da tutte le angolazioni 3D.
Buco nero come ologramma
Descrivere un buco nero come un ologramma potrebbe fornire una soluzione al cosiddetto paradosso dell'informazione del buco nero, il mistero di dove nascono le informazioni quando la materia viene consumata da un buco nero. Ma questo è un argomento per un altro articolo. Il concetto di "buco nero come ologramma" è anche un buon esempio da tenere a mente quando si cerca di visualizzare l'intero universo.
Risolvere problemi privati
La corrispondenza tra rami della fisica apparentemente non correlati menzionati all'inizio di questo articolo è un'altra applicazione delle tecniche olografiche che proviene dall'incredibile modello AdS-CFT.
AdS sta per Anti-De Sitter. Questo modello rappresenta una soluzione particolare alla teoria della relatività generale di Einstein. Descrive un universo completamente vuoto con curvatura spaziale negativa.
È un universo piuttosto noioso: non contiene materia o energia e le linee parallele alla fine divergono in base alla posizione della geometria sottostante. Anche se questo processo potrebbe non descrivere l'universo, suggerisce almeno che la vita sulla terra ha un inizio. Questo modello un po 'rilassato dell'universo ha le proprietà matematiche necessarie per rendere rilevante la teoria dei composti.
Teoria dei campi
L'altro lato della corrispondenza è una struttura chiamata teoria dei campi conforme. La fisica teorica respinge con le sue teorie di campo. Queste sono le leve utilizzate dagli scienziati per creare una varietà di teorie quantistiche usate per descrivere tre delle quattro forze della natura.
L'elettromagnetismo, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole potrebbero essere descritte attraverso la teoria dei campi, e nell'ultimo mezzo secolo l'umanità ha spesso praticato il loro uso.
Dovrebbe essere capito perché questa connessione è così importante. Supponiamo che tu stia cercando di risolvere un problema davvero difficile come la gravità quantistica usando la teoria delle stringhe, che è un tentativo di spiegare tutte le forze e le particelle fondamentali nell'universo in termini di minuscole stringhe vibranti. In effetti, questo è un problema così complesso che nessuno ha trovato una soluzione nonostante decenni di tentativi.
La corrispondenza AdS-CFT ci dice che le tecniche olografiche possono essere utilizzate per liberare il mondo da questo mal di testa.
Piuttosto che cercare di risolvere il problema della gravità quantistica nel nostro universo tridimensionale, AdS-CFT ci consente di passare a un problema equivalente ai margini dell'universo, che è rappresentato da due sole dimensioni e non contiene gravità.
Equazioni di teoria dei campi
Il quasi impossibile calcolo matematico della teoria delle stringhe viene sostituito da un insieme di equazioni della teoria dei campi semplicemente follemente difficili. Ciò consente di trovare soluzioni ai problemi senza alcuna gravità, il che impedisce di trasferire la soluzione nel normale universo tridimensionale e di fare previsioni. Sembra tutto una grande idea e un modo per ingannare la natura aggirando i meccanismi gravitazionali. E questo potrebbe rivelarsi un modo brillante per "risolvere" la gravità quantistica.
Le contraddizioni esistenti
Ma al momento ci sono alcune contraddizioni. Primo, non viviamo in un universo anti-de Sitter. Il nostro universo è pieno di materia, radiazioni ed energia oscura e ha una geometria quasi completamente piatta.
Esiste una corrispondenza simile che funziona nel nostro universo reale? Forse i teorici stanno lavorando duramente per trovare il "confine", preso per la corrispondenza AdCa-CFT con l'orizzonte cosmologico - il limite di ciò che possiamo vedere nel nostro universo osservabile.
Tutto sarebbe comprensibile, tranne il momento in cui viviamo in uno spazio-tempo dinamico con uno spazio in continua crescita, e questo confine è in continua evoluzione. Questa posizione non è ben spiegata nelle teorie moderne.
Infatti, quando si passa dal modello descritto dall'astrofisico Sitter a un modello al contorno più semplice che utilizza la teoria dei campi conforme, i nuovi sistemi di equazioni sono fondamentalmente risolvibili.
Esistono ancora, ma spesso hanno un aspetto fantastico, disastroso, spaventoso e insolubile.
Quindi esiste un ologramma?
Anche se il collegamento AdS-CFT si è rivelato utile per risolvere il problema della gravità quantistica e i fisici potrebbero trovare un modo per navigare tra i problemi e rendere questo metodo rilevante per l'universo in cui viviamo, ciò non significa che viviamo effettivamente in un ologramma.
È un errore pensare che il modello AdS-CFT sia un modo conveniente per risolvere i problemi gravitazionali del nostro universo con la gravità in tre dimensioni.
Questa è tutta un'illusione e viviamo davvero in uno spazio bidimensionale senza gravità. Un dispositivo matematico tanto conveniente quanto questo non cambia le nostre opinioni sulla natura fondamentale della realtà.
Se i principi olografici sono utili per risolvere i problemi, ciò non significa che viviamo in un ologramma. E anche se vivessimo davvero in un ologramma, non saremmo comunque in grado di distinguere la differenza.
Maya Muzashvili
