Die Schwerkraft ist wie ein Hologramm. Was bedeutet das?

Bild: Ada Zejun Shen für Quanta Magazine

In meinen ersten Monaten als Physik-Journalist vor fast zehn Jahren habe ich immer wieder eine unverständliche Abkürzung gesehen: AdS/CFT. Ich hatte große Angst davor. Deshalb habe ich sie einfach ignoriert.

Aber ich konnte nicht lange den Kopf in den Sand stecken. Bald habe ich gelernt: Diese Buchstaben sind eine Abkürzung für eine überraschende Verbindung zwischen zwei Welten, die nicht zusammen zu passen scheinen: der Schwerkraft und der Quantenmechanik. Und noch seltsamer: Diese „Anti-de-Sitter / konforme Feldtheorie"-Korrespondenz sagt, dass die Schwerkraft den Unterschied zwischen Volumen und Fläche aufhebt. Diese größere Idee heißt holografisches Prinzip. Für mich ist sie heute der wichtigste Vorschlag in der theoretischen Physik der letzten 30 Jahre.

Theoretische Physiker zeigen mit ihrer Arbeit, was sie wichtig finden. Und AdS/CFT hat einen großen Ansturm ausgelöst. Die dreigrundlegendenArbeiten zu diesem Thema aus den späten 1990er Jahren haben zehntausende Zitate bekommen. Damit sind sie mit großem Abstand die am häufigsten zitierten Arbeiten der theoretischen Physik im digitalen Zeitalter. In meinen Interviews mit Physikern, die Holografie erforschen, wirken sie oft wirklich erstaunt. Sie benutzen Worte wie „magisch" und „wunderbar", um sie zu beschreiben. Und Holografie hat auch zu einer weithin akzeptierten Antwort auf das berühmteste Paradoxon der Physik geführt: Entgegen dem, was Stephen Hawking gesagt hat, sind Schwarze Löcher keine Gefängnisse ohne Ausgang.

Aber auch nachdem ich über viele Entwicklungen in der Holografie berichtet habe und viele Gespräche mit den beteiligten Physikern geführt habe, war ich noch verwirrt. Ich habe gehört, dass Holografie sagt, dass Schwerkraft und Quantenmechanik ein und dasselbe sind und dass der Raum vielleicht nur eine Illusion ist. Ich habe auch gehört, dass Holografie sowohl als mathematische Tatsache als auch als spekulative Fantasie beschrieben wird. Deshalb habe ich versucht, diese wilden Ideen zu sortieren und zu verstehen, was genau das holografische Prinzip über unser Universum sagt.

Die Beweise

Stell dir eine Box vor. Die Box steht für einen Bereich im Raum. Eigentlich ist es Raum-Zeit, aber in diesem Text lassen wir die Zeit weg. Das machen Physiker oft, damit man es sich besser vorstellen kann. Das holografische Prinzip sagt: Egal was in der Box passiert — ob Gasmoleküle sich bewegen oder Schwarze Löcher kollidieren — du kannst den ganzen Inhalt der Box verstehen, wenn du nur immer wieder Punkte auf der Oberfläche misst.

Halte einen Moment an und denke darüber nach, wie verrückt diese Aussage ist. Du kannst überhaupt nicht in die Box hineinschauen. Trotzdem sagt die Holografie, dass du genau lernen kannst, was überall in der Box passiert, ohne Zugang zum Inneren zu haben. Nur die Beobachtung der Oberfläche ist genug. In diesem Sinne ist die Menge an Dingen, die eine Box füllen, dieselbe wie die Menge an Farbe, die sie bedeckt. Das verletzt Logik und Geometrie. Es will, dass wir den kategorischen Unterschied zwischen Quadratmetern und Kubikmetern löschen. Es erinnert an holografische Bilder, die Tiefe zu haben scheinen, obwohl sie flach sind. Nur dass der Vogel im Hologramm derselbe ist wie ein echter Vogel.

Bartek Czech, ein Theoretiker an der Tsinghua-Universität in China, zeigt die Kraft des Prinzips mit einem Vergleich. Er vergleicht es mit einem CT-Scan des Gehirns. Ein CT-Scan benutzt Röntgenstrahlen, um in das Organ zu schauen. Er rekonstruiert das Gehirn aus hunderten bis tausenden Querschnittsbildern. Holografie bedeutet, dass du das auch kannst — jede Falte, jedes Gefäß und jedes Neuron in drei Dimensionen rekonstruieren — ohne wirklich hineinzuschauen. Es reicht, einfach die Oberfläche des Gehirns zu fotografieren.

Warum sollte jemand so eine verrückte Idee ernst nehmen? Sie kommt aus Gedankenexperimenten und Mathematik. Und sie scheint auf eine Kraft zurückzugehen: „ein Wunder der Schwerkraft", sagte Czech.

Wissenschaftler wissen seit mehr als einem Jahrhundert, dass die Schwerkraft anders ist als die anderen Kräfte. Stell dir eine Box voller elektrischer Ladungen vor. Das steht für eine der anderen fundamentalen Kräfte, den Elektromagnetismus. Die Dinge in der Box sind die Ladungen und das elektrische Feld, das sie erzeugen. Dieses Feld geht auch durch die äußere Oberfläche. Du hast ein Problem, wenn du versuchst, nur von der Oberfläche aus zu verstehen, welche Anordnung von Ladungen das Feld erzeugt. Denn positive Ladungen neutralisieren negative Ladungen. Deshalb können verschiedene Anordnungen gleich aussehen. Wenn du kein Feld beobachtest, kann das bedeuten, dass keine Ladung im Inneren ist. Oder es kann bedeuten, dass die Effekte der positiven Ladungen die Effekte der negativen Ladungen perfekt blockieren. Von der Oberfläche aus kannst du den Unterschied nicht erkennen.

Bei der Schwerkraft spielt die Masse die Rolle der Ladung. Masse krümmt die Raum-Zeit um sich herum. Und sie ist immer positiv. Es gibt keine negative Masse. Deshalb kannst du immer die eine echte Anordnung von Dingen im Inneren aus der Krümmung der Raum-Zeit an der Oberfläche deiner Box ableiten. „Intuitiv ist das der Grund, warum Holografie plausibel ist", sagte Laurent Freidel, ein Physiker, der Quantengravitation am Perimeter Institute für Theoretische Physik in Waterloo in Kanada erforscht.

Aber Holografie wird erst wirklich stark, wenn man die komplizierten Details der Quantenmechanik berücksichtigt. Die ersten Hinweise kamen in den 1970er Jahren. Damals haben Jacob Bekenstein und Stephen Hawking die Entropie von Schwarzen Löchern berechnet. Entropie ist ein Maß für die Menge an Information oder Unordnung in einem System. Ihre Berechnung war ein wichtiger Schritt. Sie hat gezeigt, dass die Information eines Schwarzen Lochs nicht von seinem Volumen abhängt, sondern von seiner Oberfläche. Das war sehr überraschend. Normalerweise denken wir, dass mehr Volumen mehr Information bedeutet. Aber bei Schwarzen Löchern ist es anders. Die Oberfläche bestimmt, wie viel Information hineinpasst.

Diese Entdeckung war der Anfang des holografischen Prinzips. Später haben Physiker diese Idee verallgemeinert. Sie sagen heute: Vielleicht gilt dieses Prinzip nicht nur für Schwarze Löcher, sondern für den ganzen Raum. Vielleicht kann man die gesamte Physik im Inneren eines Raumes durch eine Theorie auf seiner Oberfläche beschreiben. Die AdS/CFT-Korrespondenz ist ein konkretes mathematisches Beispiel dafür. Sie verbindet eine Theorie der Schwerkraft im Inneren eines Raumes, der Anti-de-Sitter-Raum heißt, mit einer Quantenfeldtheorie ohne Schwerkraft auf seiner Oberfläche. Die Feldtheorie auf der Oberfläche ist eine konforme Feldtheorie. Beide Theorien beschreiben dieselbe Physik, nur auf unterschiedliche Weise.

Für viele Physiker ist das wie Magie. Zwei sehr verschiedene Beschreibungen sind äquivalent. Das Volumen und die Fläche sind nicht mehr getrennt. Die Dimensionen kollabieren. Das ist der große Durchbruch. Aber was das für die Realität bedeutet, ist noch offen. Ist der Raum, den wir jeden Tag sehen, nur eine Projektion von einer ferneren Oberfläche? Ist die Schwerkraft nur ein Effekt von Quanteninformation auf dieser Oberfläche? Physiker arbeiten noch daran, diese Fragen zu beantworten. Sie verstehen die Implikationen noch nicht vollständig.