• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Nosso Universo é um holograma?

Os hologramas preservam todas as informações 3D de um objeto, mas em uma superfície 2D. A ideia do Universo holográfico poderia nos levar a dimensões mais altas?

Principais conclusões

• A ideia de um holograma é simples e profunda: podemos codificar um 'mapa de luz' tridimensional de qualquer objeto em uma superfície bidimensional, preservando todas as suas informações em uma dimensão a menos.
• Nosso verdadeiro Universo, entretanto, é quadridimensional, com três dimensões de espaço e uma de tempo, mas isso não é necessariamente tudo o que existe; é apenas o que podemos perceber e acessar.
• Se realmente existem dimensões extras, nosso Universo 4D poderia ser apenas uma superfície holográfica que preserva as informações presentes no número verdadeiro e maior de dimensões? Essa é a grande ideia do universo holográfico.

Ethan Siegel Compartilhar Pergunte a Ethan: Nosso Universo é um holograma? no Facebook Compartilhar Pergunte a Ethan: Nosso Universo é um holograma? no Twitter Compartilhar Pergunte a Ethan: Nosso Universo é um holograma? no LinkedIn

Você já se perguntou se há mais na realidade do que podemos ver, perceber, detectar ou observar? Uma das ideias mais intrigantes, mas especulativas, da física dos séculos 20 e 21 é a noção de que nosso Universo, que parece consistir em três dimensões espaciais e uma temporal, pode possuir dimensões extras adicionais além das que podemos ver. Originalmente pensado de forma independente por Theodr Kaluza e Oskar Klein na tentativa de unificar a Relatividade Geral de Einstein com o eletromagnetismo de Maxwell, a ideia vive no contexto moderno da teoria quântica de campos e uma extensão específica de suas ideias: a teoria das cordas.

Mas, apesar de toda a sua beleza e elegância matemáticas, tem alguma coisa a ver com o nosso Universo físico? Isso é o que nosso apoiador do Patreon, Benhead, que estava pensando este artigo recente do New York Times , escreveu para perguntar sobre:

“Eu nunca acreditei na coisa holográfica como um conceito físico. Eu nem tenho certeza de quão bem isso funciona como uma abstração matemática… na analogia eu pensei que nós éramos a imagem, mas o que era “real” era o filme.”

A ideia de que o Universo é um holograma – também conhecido como princípio holográfico ou Universo holográfico – tem mais de 20 anos, mas continua tão curiosa e problemática como sempre. Aqui está uma visão geral do conceito.

Este holograma da estrutura de dupla hélice de uma molécula de DNA é projetado com o uso de espelhos, exibindo uma verdadeira aparência tridimensional de qualquer ângulo. Isso porque é possível, através do uso de luz coerente, criar um mapa do campo de luz de um objeto e codificá-lo em uma superfície plana.

O que é um holograma convencional?

Se você já viu um holograma antes, você realmente viu uma aplicação maravilhosa do comportamento óptico da luz. Impresso em uma superfície bidimensional, um holograma - quando capta a luz da maneira certa - mostra não uma imagem bidimensional padrão como você normalmente veria, mas uma imagem totalmente tridimensional. Não apenas a terceira dimensão, a profundidade, pode ser prontamente percebida por seus olhos, mas à medida que você muda seu ângulo de visão em relação ao holograma, a distância relativa de seu olho a várias partes da imagem holográfica codificada também parece mudar de forma correspondente. .

Parece que, por trás da “superfície” do holograma, existe um mundo totalmente tridimensional, e você pode ver seus detalhes com a mesma certeza que pode ver o mundo tridimensional refletido em um espelho.

Isso ocorre porque um holograma não é simplesmente uma imagem estática, mas sim um “mapa de luz” do objeto/configuração tridimensional que criou o próprio holograma. A criação de um holograma é em si uma visão instrutiva de como a luz, a ótica e a física se unem para codificar um conjunto de informações de dimensão superior em uma superfície de dimensão inferior.

Embora uma fotografia codifique uma imagem do mundo tridimensional em uma superfície bidimensional, a informação tridimensional sobre a profundidade é achatada e perdida. A diferença entre uma fotografia e um holograma é ter não apenas uma imagem de luz, mas um campo de luz codificado e mapeado na superfície de dimensão inferior.

A forma como uma fotografia funciona, em contraste com um holograma, é muito simples. Pegue a luz emitida ou refletida de um objeto, foque-a através de uma lente e grave-a em uma superfície plana. Não é apenas assim que a fotografia funciona, mas também como você vê fisicamente os objetos biologicamente, pois a lente em seu globo ocular foca a luz em sua retina, onde os bastonetes e cones na parte de trás do olho a registram, enviam para o cérebro e lá ele é processado em uma imagem.

Mas usando luz coerente, como a de um laser, e uma emulsão especial na superfície de gravação, você não está mais limitado a gravar uma imagem de luz, mas pode gravar e criar um mapa de todo o campo de luz. Parte da informação codificada em um campo de luz é a posição tridimensional de cada objeto dentro da imagem, incluindo recursos como:

• variações de densidade,
• texturas,
• opacidade,
• e distância relativa.

Todas essas propriedades são codificadas no campo de luz e são registradas fielmente na superfície do holograma bidimensional. Quando essa superfície estiver devidamente iluminada, ela exibirá para qualquer observador o conjunto completo de informações tridimensionais gravadas e o fará de todas as perspectivas possíveis de onde é visível. Ao imprimir este mapa/campo de luz bidimensional em um filme metálico, você pode criar um holograma convencional.

Esta fotografia de um holograma no museu do MIT parece um objeto tridimensional, mas é apenas um campo de luz bidimensional codificado na superfície de um holograma. Quando devidamente iluminado, as propriedades tridimensionais podem ser vistas claramente.

Existem outras aplicações físicas dessa ideia?

A grande ideia por trás de um holograma é onipresente na física: a noção de que você pode examinar uma superfície de dimensão inferior e obter não apenas informações substanciais sobre a realidade de dimensão superior que está codificada nela, mas informações completas que revelam a você a conjunto de propriedades físicas relativas a essa realidade de dimensão superior. A chave é fazer com que a superfície de dimensão inferior sirva como limite do seu espaço de dimensão superior; se você pode ambos:

• entenda as leis que governam seu espaço de dimensão superior,
• e medir o suficiente das propriedades que são codificadas na superfície que limita esse espaço,

você pode então tirar conclusões sobre o estado físico preciso que ocorre dentro dessa região, completamente.

Você pode fazer isso em eletromagnetismo, por exemplo, medindo qualquer uma das três propriedades na superfície que circunda a região: com Dirichlet , Neumann , ou Robin condições de contorno. Você pode fazer algo análogo na Relatividade Geral, com a ressalva de que, se não estiver lidando com uma variedade de espaço-tempo fechada, você deve adicionar um termo de fronteira adicional . Em muitas áreas da física, se você conhece as leis que governam a fronteira e a região do espaço que ela envolve, simplesmente medir o suficiente das propriedades codificadas na fronteira permite determinar o conjunto completo de propriedades físicas que descrevem o interior.

Este conjunto de cavidades de radiofrequência dentro de um acelerador linear na Austrália consiste em uma configuração eletromagnética muito complexa. Se você desenhasse um limite bidimensional imaginário em torno de qualquer região dentro ou fora dessa cavidade, a informação codificada na superfície, se você medisse o suficiente, poderia dizer o que estava acontecendo no volume dentro desse limite também. .

Esse tipo de análise tem até aplicações para buracos negros, embora eles só tenham sido testados em sistemas analógicos quânticos, pois ainda precisamos medir um buraco negro com precisão suficiente para testar a ideia. Em teoria, sempre que os quanta individuais caem em um buraco negro – e lembre-se, os buracos negros são fundamentalmente entidades que existem em nosso Universo com três dimensões espaciais – eles carregam todas as informações quânticas que possuíam anteriormente para o buraco negro.

Mas quando os buracos negros decaem, o que eles fazem através da emissão de Radiação Hawking , a radiação que sai deve simplesmente possuir um espectro de corpo negro, sem memória de coisas como a massa, carga, rotação, polarização ou número bariônico/lépton dos quanta que os criaram. Essa propriedade não conservativa é conhecida como paradoxo da informação do buraco negro, com as duas únicas possibilidades realistas de que ou a informação não é conservada, afinal, ou que a informação deve de alguma forma escapar das garras do buraco negro durante o processo de evaporação.

É possível, até provável, que haja uma superfície bidimensional, dentro ou dentro do horizonte de eventos, onde todos as informações que entraram e irradiaram do buraco negro está preservado. É possível que o princípio holográfico, aplicado aos buracos negros, possa realmente resolver o paradoxo da informação do buraco negro, preservando a unidade (a ideia de que a soma das probabilidades de todos os resultados possíveis deve somar 1) no processo.

Codificados na superfície do buraco negro podem estar bits de informação, proporcionais à área de superfície do horizonte de eventos. Quando o buraco negro decai, ele decai para um estado de radiação térmica. Se essa informação sobrevive e é codificada na radiação ou não, e em caso afirmativo, como, não é uma questão para a qual nossas teorias atuais possam fornecer a resposta.

Nosso universo é holográfico por natureza?

Agora, aqui estamos, no que nos parece ser um espaço-tempo quadridimensional: com três dimensões espaciais e uma temporal. Mas e se isso não for representativo da imagem completa da realidade; e se houver:

• mais dimensões lá fora,
• que simplesmente são inacessíveis para nós,
• e que o que percebemos como nosso Universo de quatro dimensões é na verdade o limite de uma entidade de dimensão superior que representa, de alguma forma, nosso “verdadeiro” Universo?

É uma ideia maluca, mas que tem suas raízes em uma disciplina aparentemente não relacionada: a Teoria das Cordas.

A Teoria das Cordas surgiu de uma proposta — o modelo das cordas — para explicar as interações fortes, já que o interior de prótons, nêutrons e outros bárions (e mésons) eram conhecidos por terem uma estrutura composta. No entanto, deu um monte de previsões sem sentido, que não correspondiam a experimentos, incluindo a existência de uma partícula de spin-2. Mas as pessoas reconheceram que se você levasse essa escala de energia para cima, em direção à escala de Planck, a estrutura das cordas poderia unificar as forças fundamentais conhecidas com a gravidade, e assim nasceu a Teoria das Cordas.

A ideia de que as forças, partículas e interações que vemos hoje são todas manifestações de uma única teoria abrangente é atraente, exigindo dimensões extras e muitas novas partículas e interações. A falta de uma única previsão verificada da Teoria das Cordas que seja distinta do que o Modelo Padrão prevê, além de inconsistências internas com o Universo como o entendemos, ambos são enormes ataques contra ele.

Uma característica (ou falha, dependendo de como você a vê) dessa tentativa de um “santo graal” da física é que ela requer absolutamente um grande número de dimensões extras. Então, uma grande questão se torna como obtemos nosso Universo, que acabou de três dimensões espaciais, de uma teoria que nos dá muitas outras? E qual teoria das cordas, uma vez que há muitas realizações possíveis da teoria das cordas, é a correta?

Talvez, a percepção, os muitos modelos e cenários diferentes da teoria das cordas que existem sejam, na verdade, todos os aspectos diferentes da mesma teoria fundamental, vistos de um ponto de vista diferente. Em matemática, dois sistemas que são equivalentes um ao outro são conhecidos como “dual”, e uma descoberta surpreendente relacionada a um holograma é que às vezes dois sistemas que são duais um ao outro têm diferentes números de dimensões.

A razão pela qual os físicos ficam muito animados com isso é que em 1997, o físico Juan Maldacena propôs a correspondência AdS/CFT , que afirmava que nosso universo tridimensional (mais tempo), com suas teorias quânticas de campo descrevendo partículas elementares e suas interações, era dual a um espaço-tempo de dimensão superior (espaço anti-de Sitter) que desempenha um papel nas teorias quânticas da gravidade.

A ideia de que um espaço de dimensão superior, muitas vezes chamado de volume, é matematicamente equivalente a um espaço de dimensão inferior que definiu o limite do volume, conhecido como brana, é a ideia central na raiz da correspondência AdS/CFT. Este análogo de dimensão inferior da relação 5-para-4 dimensional derivada por Juan Maldacena em 1997 é mostrado aqui.

Nos últimos 25 anos, físicos e matemáticos exploraram essa correspondência da melhor maneira possível, e descobriu-se que ela foi aplicada de maneira útil a vários sistemas físicos de matéria condensada e estado sólido. No que diz respeito às aplicações para todo o nosso Universo, no entanto, e especificamente para uma estrutura onde temos que ter pelo menos 10 dimensões no total (conforme exigido pela Teoria das Cordas), nos deparamos com um conjunto significativo de problemas que não foram tão fáceis de resolver .

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

Por um lado, estamos muito certos de que não vivemos no espaço anti-de Sitter, porque medimos os efeitos da energia escura, e esses efeitos nos mostram que a expansão do Universo está se acelerando de uma forma consistente com um resultado positivo. constante cosmológica. Um espaço-tempo com uma constante cosmológica positiva se parece com o espaço de Sitter, e especificamente não como o espaço anti-de Sitter, que teria uma constante cosmológica negativa. Matematicamente, por causa de uma série de problemas (como o problema de nucleação/percolação de bolhas) que surgem no espaço de Sitter e não no espaço anti-de Sitter, não podemos construir essa mesma correspondência.

A paisagem das cordas pode ser uma ideia fascinante cheia de potencial teórico, mas não pode explicar por que o valor de um parâmetro tão bem ajustado, como a constante cosmológica, a taxa de expansão inicial ou a densidade total de energia, tem os valores que eles têm. Uma das deficiências mais importantes da correspondência AdS/CFT é que “AdS” significa espaço anti-de Sitter, que requer uma constante cosmológica negativa. No entanto, o Universo observado tem uma constante cosmológica positiva, implicando o espaço de Sitter; não há correspondência dS/CFT equivalente.

Por outro lado, as únicas dualidades que já descobrimos relacionam as propriedades do espaço de dimensão superior ao seu limite de dimensão inferior: uma redução de dimensão em um. Os hologramas bidimensionais só podem codificar informações tridimensionais; as teorias de campo conforme de quatro dimensões (CFTs) que fazem parte da correspondência AdS/CFT aplicam-se apenas a espaços anti-de Sitter de cinco dimensões. A questão da compactação – de como você chega a não mais do que cinco dimensões em primeiro lugar – permanece sem resposta.

No entanto, há outro aspecto da correspondência AdS/CFT que muitos acham atraente. Claro, esses dois problemas são reais: temos o sinal errado para a constante cosmológica e o número errado de dimensões. No entanto, quando dois espaços de dimensões diferentes são matematicamente duais um ao outro, às vezes pode-se obter mais informações sobre o espaço de dimensão superior do que você poderia pensar inicialmente. Claro, há menos informações disponíveis em um limite de dimensão inferior de uma superfície do que dentro do volume do espaço completo delimitado pela superfície. Isso implica que, quando você mede uma coisa que está acontecendo na superfície do limite, pode acabar aprendendo várias coisas que estão ocorrendo dentro do volume maior e de dimensão superior.

A ideia de que dois quanta podem ser instantaneamente emaranhados um com o outro, mesmo em grandes distâncias, é frequentemente considerada a parte mais assustadora da física quântica. Se a realidade fosse fundamentalmente determinista e governada por variáveis ​​ocultas, essa assombro poderia ser removida. Infelizmente, todas as tentativas de acabar com esse tipo de estranheza quântica falharam, mas a correspondência AdS / CFT levou alguns a permanecer esperançosos de que isso seria possível invocando dimensões extras.

Uma possibilidade selvagem - potencialmente relacionada a Prêmio Nobel de Física de 2022 no emaranhamento quântico – é que algo que ocorre no espaço de dimensão maior pode acabar relacionando duas regiões díspares e aparentemente desconectadas ao longo do limite de dimensão inferior. Se você está incomodado com a noção de que medir uma partícula emaranhada parece fornecer informações sobre o outro par emaranhado instantaneamente, parecendo que a comunicação está ocorrendo mais rápido que a luz, o princípio holográfico pode ser sua melhor esperança para um enraizamento físico. salvador.

No entanto, os últimos 25 anos não nos trouxeram mais perto de encontrar dimensões extras, entender se elas são ou não relevantes para nossa realidade ou fornecer insights teóricos importantes que nos ajudem a compreender melhor nosso próprio Universo. A dualidade, no entanto, não pode ser negada: é um fato matemático. A correspondência AdS/CFT continuará a ser matematicamente interessante, mas os dois principais problemas com ela:

• que ele fornece o sinal visivelmente errado para a energia escura,
• e que só funciona para cinco dimensões, não as dez (ou mais) necessárias para a Teoria das Cordas,

avultam e permanecem sem resposta. A ideia de que o Universo é um holograma, conhecido como Universo holográfico, pode de fato um dia nos levar à gravidade quântica. Até que esses quebra-cabeças sejam resolvidos, no entanto, é impossível prever como chegaremos lá.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Compartilhar: