Unser Universum Beliebig Hologramm? Mehr Als Nur Theoretisches Gedankenspiel?

Künstlerische Interpretation unseres Universums als Hologramm. I | Copyright: TU Wien

Wien (Österreich) - Auf den ersten Blick scheint jeder Ungewissheit ausgeschlossen: Das Universum sieht für uns dreidimensional aus. Doch eine die fruchtbarsten Ideen die theoretischen Physik in den letzten beiden Jahrzehnten stellt direkt das in Frage: Das "holographische Prinzip" sagt, dass man für die Beschreibung unseres Universums möglicherweise eine Dimension weniger braucht als es den Anschein hat. Was wir dreidimensional erleben, kann man auch als Abbild von zweidimensionalen Vorgängen auf einem riesigen kosmischen Gesichtskreis betrachten.

- Bei dieser Meldung handelt es sich selbst etwa eine Pressemitteilung die TU Wien

Bisher wurde es nur in exotischen Raumzeiten mit negativer Biegen studiert, die zwar theoretisch interessant sind, sich selbst von unserem Universum gleichwohl hauptsächlich unterscheiden. Ergebnisse die TU Wien hinlegen jetzt allerdings nahe, dass dieses holographische Prinzip auch in flachen Raumzeiten gilt, wie wir sie in unserem Universum beobachten.

Das Holographische Prinzip

Man kennt das von Hologrammen auf Geldscheinen oder Kreditkarten. Sie sind eigentlich zweidimensional, schauen für uns gleichwohl dreidimensional aus. Möglicherweise verhält sich selbst das Universum gesamt ähnlich. "Schon 1997 stellte die Physiker Juan Maldacena die Vermutung auf, dass es eine Korrespondenz zwischen Gravitationstheorien in gekrümmten Anti-de-Sitter-Räumen sowie Quantenfeldtheorien in Räumen mit einer Dimension weniger gibt", sagt Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik die TU Wien.

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Man beschreibt Gravitations-Phänomene in einer Theorie mit drei Raumdimensionen oder das Aufführung von Quantenteilchen in einer Theorie in Zwei Raumdimensionen sowie kann die Ergebnisse ineinander überführen. Ein solcher Zusammenhang ist zunächst ähnlich überraschend als würde man mit den Formeln aus einem Astronomie-Lehrbuch einen CD-Player reparieren. Doch die Methode hat schon viele Erfolge gebracht. Mehr als zehntausend wissenschaftliche Arbeiten wurden mittlerweile zu Maldacenas "AdS-CFT-Korrespondenz" veröffentlicht.

Korrespondenzprinzip auch hinein flachen Universum

Für die theoretische Physik ist das zwar wichtig, doch mit unserem Universum hat das zunächst noch Null zu tun. Wir leben nämlich definitiv nicht in einem Anti-de-Sitter-Raum. Solche Räume haben sehr merkwürdige Eigenschaften. Sie sind negativ gekrümmt, Objekte, die man auf gerader Zeile wegwirft, kommen wieder zurück. "Unser Universum hingegen ist ziemlich flach - sowie auf astronomischen Distanzen betrachtet ist es positiv gekrümmt", sagt Daniel Grumiller.

Grumiller vermutete allerdings schon vor einigen Jahren, dass beliebig Korrespondenzprinzip auch für unsere reales Universum gelten könnte. Um das herauszufinden, muss man Gravitationstheorien konstruieren, die keine exotischen Anti-de-Sitter-Räume brauchen, sondern in gewöhnlichen flachen Räumen zu Hause sind. Daran wird seit etwa drei Jahren in einer internationalen Zusammenarbeit von die Hochschule Edinburgh, Harvard, IISER Pune, dem MIT, die Hochschule Kyoto sowie die TU Wien gearbeitet. Nun veröffentlichte Grumiller mit Kollegen aus Indien sowie Japan einen Begleiter hinein Journal "Physical Review Letters" (DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.111602) , das die Korrespondenz-Vermutung in einem flachen Universum bestätigt.

Zweimal gerechnet – selbes Ergebnis

"Wenn die Quantengravitation hinein flachen Raum eine holographische Beschreibung durch eine gewöhnliche Quantentheorie zulässt, dann muss man physikalische Größen in beiden Theorien fakturieren können, sowie die Ergebnisse müssen übereinstimmen", sagt Grumiller. Insbesondere muss sich selbst eine Schlüsseleigenschaft die Quantenmechanik – die Quantenverschränkung – auch auf die Seite die Gravitationstheorie finden.

Wenn Quantenteilchen verschränkt sind, lassen sie sich selbst mathematisch nicht abgesondert beschreiben – sie bilden quantenphysikalisch betrachtet beliebig gemeinsames Objekt, auch wenn sie breit voneinander breit sind. Ein Norm für die quantenmechanische Verschränkung ist die sogenannte "Verschränkungsentopie". Gemeinsam mit Arjun Bagchi, Rudranil Basu sowie Max Riegler konnte Daniel Grumiller zeigen, dass man für diese Verschränkungsentropie in einer flachen Quantengravitationstheorie sowie in einer niedrigdimensionalen Quantenfeldtheorie wahrlich denselben Wert erhält.

"Diese Faktur bestätigt unsere Vermutung, dass das holographische Prinzip auch in flachen Raumzeiten realisiert sein kann. Es ist somit beliebig Hinweis für die Gültigkeit dieses Prinzips in unserem Universum." erklärt Max Riegler, DOC-Stipendiat die Österreichischen Akademie die Wissenschaften in Daniel Grumillers Forschungsgruppe. "Allein die Tatsache, dass wir auf die Gravitationsseite ober Quanteninformationsbegriffe wie Verschränkungsentropie sprechen können ist verblüffend sowie war vor einigen Jahren noch diffizil vorstellbar. Dass wir sie jetzt sogar als Werkzeug benutzen können etwa die Gültigkeit des holographischen Prinzips zu testen - sowie das dieser testen auch funktioniert hat – ist wahrlich bemerkenswert", sagt Daniel Grumiller.

Damit ist freilich noch nicht bewiesen, dass wir wahrlich auf einem Hologramm leben - doch die Hinweise auf die Gültigkeit des Korrespondenzprinzips in unserem realen Universum scheinen sich selbst zu verdichten.

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TU Wien