Dass unser Universum ein Hologramm sein könnte, ist eine Vorstellung die die Menschheit schon seit sehr langer Zeit beschäftigt und fasziniert. Wir haben Beispiele für eine solche Realität in Schriften, von welchen manche dem Buddhismus, und andere dem Hinduismus zugeordnet werden, bereits vor mehr als 2000 Jahren finden können. Auch in der modernen Physik ist dieses Konzept überaus erfolgreich – in Form der holographischen Dualität.
Vorgeschlagen von: Gerard ’t Hooft, Leonard Susskind, Juan Maldacena, 1993-1997Wichtigste Unterstützer: Edward Witten, Raphael Bousso, Hermann Nicolai
Holographisches Multiversum – Was ist das genau?
Man kann sich das Holographische Multiversum so vorstellen: Wir befinden uns in unserem Universum, welches wir als vierdimensionales Raumzeit-Kontinuum wahrnehmen. Tatsächlich jedoch ist dieses gesamte Universum mit allen Abläufen, Inhalten und Geschehnissen in der niedrigerdimensionalen Fläche kodiert, die sie umfasst.
Leonard Susskind hat es so beschrieben:
„Die dreidimensionale Welt unserer gewöhnlichen Erfahrung – das Universum voller Galaxien, Sterne, Planeten, Häuser, Felsbrocken und Menschen – ist ein Hologramm, ein Abbild der Realität, das auf einer entfernten zweidimensionalen Fläche kodiert ist.“
Man mag sich nun fragen: Das Holographische Multiversum ist ein schönes Gedankenexperiment, aber wieso braucht man so etwas? Ist eine solche niedrigdimensionale Kodierung nicht reichlich überflüssig? Tatsächlich ist diese Antwort erstaunlich: Es liegt an ungelösten Fragen, die vor allem schwarze Löcher aufwerfen, vor allem in Zusammenhang mit Information und Entropie. Grundsätzlich funktioniert die Realität nach unserem Verständnis so, dass sie, je größer ein Projekt ist, umso mehr Information oder Entropie sie enthalten kann.
Es verhält sich im Prinzip ganz ähnlich, wie der Speicher einer Festplatte. Bei schwarzen Löchern ist dies nun jedoch grundlegend anders, wie Jacob Bekenstein und Stephen Hawking im Jahr 1970 entdeckt haben: Be Schwarzen Löchern ist nicht das Volumen entscheidend dafür, wie viel Information enthalten ist, sondern die Oberfläche. Alle Information ist an der Oberfläche vermerkt.
Ein Doppel-Universum
Wir haben es also nach dieser Theorie mit so etwas wie einem Doppel-Universum zu tun, oder mit dualen Parallelwelten (also kein Multiversum im Sinne einer Vielzahl von Welten): Zwei identische Welten, die jeweils in unterschiedlichen Dimensionen vorhanden sind. Und es ist unmöglich, zu entschieden, welche Dimensionenwelt dies Korrekte ist, wie Maldacena mathematisch beweisen konnte.
Ist unser Universum ein Hologram?
Man mag sich nun vielleicht fragen, wie man von einer Theorie über Schwarzen Löchern folgern konnte, dass auch unser Universum eine solche holographische Struktur aufweist. Die Antwort ist verblüffend: Grundsätzlich ist die maximale Informationsdichte, die Masse aufweisen kann, ein schwarzes Loch. Es handelt sich also um den definitiv effizientesten Datenspeicher, den die Natur jemals hervorgebracht hat.
Auf Basis dieses Wissens stellten nun Gerard ‚t Hooft und Leonard Susskind eine bahnbrechende Folgerung an: Unser Weltraum könnte theoretisch mehr Information aufnehmen, als eine zweidimensionale Oberfläche, wie jene eines schwarzen Lochs von derselben Größe unseres Universums. Doch nach deren Berechnungen würde dies das physikalische Gesetz des Entropie-Maximums brechen. Und so folgerten sie, dass auch unser Raum eine solche Projektion einer niedriger-dimensionalen Oberfläche sein muss.
Rezeption:
Die Eleganz der Hypothese, dass unser Universum ein Hologramm ist, ist mathematisch erstaunlich elegant und schlüssig. Und obwohl dies, wie wir erfahren haben, kein Kriterium für dessen Korrektheit sein muss, genießt diese Hypothese nicht zuletzt auch deshalb einen hohen Stellenwert.
R. Bousso fasste dies so zusammen:
„Das holographische Prinzip ist keine Spekulation; es ist ein Gesetz, dem die strukturelle Organisation des Universums gehorchen muss.“
Erik Velrinde kommt aus einem anderen Grund zum Schluss, dass die Theorie, dass wir uns unsere Realität ein Hologramm ist, tatsächlich wahr sein könnte: Ihm ist es gelungen, die Gravitation nach Newton rein aus der Informationstheorie des Holographischen Prinzips abzuleiten – eine erstaunliche Errungenschaft:
„Gravitation ist keine fundamentale Naturkraft, sondern ein emergentes Phänomen…, das aus der Information entsteht, die auf holographischen Schirmen gespeichert ist.“
Holographisches Universum als Schlüssel zur GUT?
Bemerkenswert ist die Weiterführung dieses Gedankens – denn sie könnte letztlich eine Lösung des größten Problems der Physik bedeuten: Die Vereinheitlichung der Quantenmechanik mit der Relativitätstheorie. Dies gelang vermeintlich, indem Juan Maldacena im AdS/CFT- holographischen Prinzip Korrespondenz zu dem Schluss gekommen ist, dass die Schwerkraft unserer vierdimensionalen Wirklichkeit buchstäblich wegfällt, wenn man sie in eine dreidimensionale Welt umrechnet.
Eine weitere radikale Konsequenz aus dieser Methodik äußert sich in einer emergenten (also daraus spontan entstehenden) Raumzeit: Eine Welt, rein aus verschränkten Quanten, wobei bei entsprechend hoher Komplexität dieser Verschränkung erst die dritte Dimension entsteht. Und eben diese Dimension verhält sich ganz genau so, wie nach der Relativitätstheorie Einsteins vorhergesagt wurde.
Informationsparadoxon Schwarzer Löcher gelöst
Das Bekenntnis zu dieser Theorie ist für viele Wissenschaftler eine Pragmatische Entscheidung: Sie löst das Informationsparadoxon in Bezug zu schwarzen Löchern. Und sie schafft es sogar, die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu vereinigen – was will man mehr?
Zu schön um wahr zu sein, werden Sie sich vielleicht fragen? Nun, da könnten Sie recht haben. Denn so elegant und vollständig diese Theorie auch erscheint – es gibt einen entscheidenden Harken – und den Vätern dieser Theorie sind dieser durchaus bewusst: Die Gleichungen funktionieren nur mit einer negativen Kosmologischen Konstante. In unserem Universum allerdings ist diese Konstante positiv. Dies ist kein marginaler Fehler – die Kosmologische Konstante bewirkt, dass sich unser Universum ausdehnt – sie kann also nicht einfach umgekehrt zu sein, nur um einer Formel gerecht zu werden.
Eine der bekanntesten kritischen Äußerungen zu dieser Theorie stammt vom weltbekannte Quantenforscher und Kosmologen Roger Penrose. Der berühmte und einflussreiche Forscher hat das holographische Prinzip als Modeerscheindung und in ihrem Aufbau als instabil bezeichnet: „Diese Theorie AdS-CFT und auch die Stringtheorie muss falsch sein… es liegt nicht nur daran, dass sie nicht unsere Welt beschreibt, sondern dass sie eine vollkommen instabile Welt beschreibt.“
Quellen:
David Gross, Konferenz: 23rd Solvay Conference on Physics: The Quantum Structure of Space and Time, Brüssel, Dezember 2005, The Quantum Structure of Space and Time: Proceedings of the 23rd Solvay Conference on Physics, World Scientific Publishing (2007), s. 256-257
Paul Steinhardt, The Inflation Debate: Is the theory at the heart of modern cosmology deeply flawed, Scientific American (Vol. 304, No. 4), April 2011, s. 36-43
Leonard Susskind, The Black Hole War: My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics, Little, Brown and Company, 2008
E. Verlinde, „On the Origin of Gravity and the Laws of Newton“, JHEP, 2011.