E se ci fosse una realtà più profonda là fuori?

E se il nostro universo fosse un'illusione?

E se vivessimo in un ologramma?

stecca zona crepuscolare musica.

O, in alternativa, chiedi al professore associato di fisica Matthew Headrick della sua ricerca. Headrick lavora su una delle teorie più all'avanguardia della fisica teorica:il principio olografico. Ritiene che l'universo sia un'immagine tridimensionale proiettata su una superficie bidimensionale, proprio come un ologramma emerge da un foglio di pellicola fotografica.

"Secondo me, la scoperta dell'entanglement olografico e delle sue generalizzazioni è stato finora uno degli sviluppi più entusiasmanti della fisica teorica in questo secolo, " Disse Headrick. "Quali altri nuovi concetti aspettano di essere scoperti, e quali altri collegamenti inaspettati? Non vediamo l'ora di scoprirlo".

Dal 2016, Headrick è stato vicedirettore di "It from Qubit:Quantum Fields, Gravità e Informazione", uno sforzo internazionale di 18 scienziati e dei loro laboratori per determinare se il principio olografico è corretto. È finanziato da un 4 anni, Sovvenzione di 10 milioni di dollari dalla Simons Foundation di New York.

Se Headrick e i suoi colleghi possono dimostrare il principio olografico, avranno compiuto un passo importante verso il raggiungimento del Santo Graal nella fisica teorica, una grande teoria unificata che può spiegare tutte le leggi ei principi che governano la realtà. "Non ci siamo ancora, "Headrick ha detto, "ma stiamo facendo progressi."

Analizziamo passo dopo passo il principio olografico:

Informazione

Inizieremo in piccolo, molto piccolo. È stato a lungo pensato che l'universo al suo livello più fondamentale sia costituito da particelle subatomiche come elettroni o quark. Ma ora i fisici credono che quelle particelle siano costituite da qualcosa di ancora più piccolo:le informazioni.

Quando i fisici parlano di informazioni, significano i dati che descrivono i fenomeni fisici. La massa di un oggetto, la direzione dello spin di un elettrone, e e=mc^2 sono tutte unità di informazione.

Se hai raccolto tutte le informazioni che sono là fuori, avresti il ​​libretto di istruzioni completo per costruire tutto nel nostro universo.

Qubit

I più piccoli livelli dell'universo sono governati dalle leggi della meccanica quantistica. Qui le cose iniziano a diventare molto strane e controintuitive.

Le unità di informazione nel regno della meccanica quantistica sono chiamate qubit.

Headrick studia l'entanglement quantistico dei qubit, un fenomeno molto strano unico nel regno della meccanica quantistica.

Supponiamo di avere due qubit i cui valori possono essere 1 o 0. Quando i qubit sono entangled, i loro valori diventano correlati. Quando misuri il primo qubit, il suo valore potrebbe essere 0. Controlla l'altro qubit, il suo valore potrebbe essere 0, pure. Ma cosa succede se il primo qubit ha un valore di 1? Anche il valore del secondo qubit potrebbe cambiare in 1.

È come se i qubit comunicassero tra loro, con il primo che racconta il secondo, "Hey, questo fisico qui ha appena scoperto che sono un 1. Faresti meglio a essere un 1, anche." Sorprendentemente e bizzarramente, questa comunicazione può avvenire su grandi distanze con messaggi apparentemente trasmessi più velocemente della velocità della luce.

I qubit sono piatti

Nella maggior parte dei casi, quando fai cadere un oggetto in un barattolo, useremo una gelatina, cadrà all'interno e occuperà spazio. Metti un'altra gelatina, la quantità di spazio vuoto si riduce e il volume delle gelatine aumenta.

Non funziona in questo modo con i qubit. I qubit non cadranno nel barattolo ma si distribuiranno su una superficie. Aggiungi un qubit, aderirà al lato del barattolo. Aggiungi un altro qubit, farà lo stesso. L'aumento del numero di qubit non aumenta il volume. Anziché, aumenta la superficie occupata dai qubit.

Sempre più qubit si estendono su una superficie piana:ecco come si ottiene il piano bidimensionale descritto dal principio olografico.

Quindi come si ottengono le tre dimensioni?

Una volta che ti muovi oltre il regno del piccolissimo, le leggi della meccanica quantistica non funzionano più. Per quanto strano possa sembrare, a livello macrocosmico, hai bisogno di un diverso insieme di leggi della fisica per spiegare cosa sta succedendo.

Entra nella teoria della relatività di Einstein. Per calcolare eventi cosmici come il percorso seguito dalla luce o l'orbita di Mercurio intorno al sole, hai bisogno della teoria della relatività.

Gli elementi costitutivi della relatività sono anche unità di informazione. Ora però, si chiamano bit.

E i bit si comportano in un modo che ci è molto più familiare. Esistono in tre dimensioni.

Quindi come si ottiene un ologramma?

Torniamo a quella superficie bidimensionale ricoperta di qubit aggrovigliati. Poiché il valore di un qubit cambia a seconda del valore della sua coppia entangled, c'è un grado di indeterminazione incorporato nel sistema. Se non hai ancora misurato il primo qubit, non puoi essere sicuro del secondo. La quantità di incertezza in un dato sistema è chiamata la sua entropia.

Man mano che i qubit si intrecciano e si districano, il livello di entropia aumenta e diminuisce. Ti ritrovi con campi di entropia in uno stato in continua evoluzione.

Il principio olografico sostiene che il nostro mondo tridimensionale è una rappresentazione o proiezione di tutta questa attività che si svolge su una superficie bidimensionale piena di qubit.

Mettere tutto insieme

I fisici danno sempre fastidio che ci sia un insieme di regole per il microcosmico, meccanica quantistica, e un altro per il macrocosmico, la teoria della relatività. Non ha senso che ci debbano essere due gruppi diversi e incompatibili di formule matematiche all'opera nel nostro universo. I fisici presumono che ci debba essere un modo per portarli in armonia.

Quindi qui sta la domanda centrale per Headrick e i suoi colleghi:partendo dal regno bidimensionale dei qubit e della meccanica quantistica e poi scalando le dimensioni, con che precisione ci ritroviamo con i bit e la relatività? Si tratta di costruire un unico modello matematico che spieghi la trasformazione.

Scoprilo e avrai risolto uno dei più grandi misteri della fisica teorica. Dal più piccolo al più grande fenomeno, avremo una teoria unificata della realtà.

In questo momento il principio olografico rimane una teoria non dimostrata. Dove porterà dopo è una domanda aperta. Le probabilità sono però, sarà più strano di qualsiasi altra cosa immaginata nella fantascienza.