Leben wir in einem riesigen „kosmischen Hologramm“?

In Science-Fiction-Filmen sehen wir oft virtuelle Objekte, die aus der Luft projiziert werden, und diese futuristische Technologie wird seit langem still und leise in unserem täglichen Leben eingesetzt: fälschungssichere Muster auf Kreditkarten, virtuelle „Nachbildungen“ von Auftritten verstorbener Stars bei Konzerten und sogar dreidimensionale Produktmodelle, die in den Schaufenstern von Einkaufszentren erscheinen – all dies basiert auf holografischer Technologie.

Im Jahr 1947 zerbrach sich der ungarische Physiker Denis Gerber den Kopf über die Verbesserung der Auflösung von Elektronenmikroskopen. Er wollte einen Weg finden, die winzigen Details von Objekten deutlicher zu erfassen als mit herkömmlichen Mikroskopen. Bei einem Experiment entdeckte Gabor zufällig eine neue Art der Bildaufzeichnung: Er erfasste die Phaseninformationen von Lichtwellen durch Interferenzphänomene und reproduzierte beim Lesen das dreidimensionale Bild durch Beugungsphänomene. Diese zufällige Entdeckung ist die „Holographie“. Einfach ausgedrückt zeichnet die traditionelle Fotografie nur die Intensität des Lichts auf, also die Helligkeits- und Dunkelheitsinformationen, während Hologramme auch die Phaseninformationen des Lichts aufzeichnen. Unter der Phase versteht man die „Form“ bzw. „Position“ der Lichtwelle. Dadurch können Hologramme nicht nur die Helligkeit eines Objekts, sondern auch dessen räumliche Tiefe und Struktur wiedergeben. Gerade weil es derart komplexe Informationen aufzeichnen kann, können wir realistische dreidimensionale Effekte durch zweidimensionale Oberflächen darstellen, ganz so, als würden wir eine dreidimensionale Momentaufnahme von Lichtwellen machen.

Der Prozess der Hologrammerzeugung beruht auf dem Phänomen der Interferenz. Wir können uns vorstellen, dass ein Stein plötzlich auf zwei ruhige Wasseroberflächen geworfen wird. Dabei werden zwei Wellen erzeugt und wenn diese beiden Wellensätze aufeinandertreffen, kommt es zu einer Reihe von Phänomenen. Dieses Phänomen wird als „Interferenz“ bezeichnet. Das aufgezeichnete Interferenzmuster enthält wichtige Lichtfeldinformationen wie beispielsweise die Phase. Bei der Holografie wird ein Laserstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt – einer, der direkt auf die holografische Platte scheint, und der andere, der auf das Objekt scheint und von der holografischen Platte reflektiert wird – und durch die Wechselwirkung zwischen den beiden entsteht ein Interferenzmuster. Diese Interferenzstreifen zeichnen die Lichtwelleninformationen an jedem Punkt auf der Oberfläche des Objekts auf. Auf diese Weise sind Hologramme in der Lage, die dreidimensionalen Informationen eines Objekts zu erfassen und zu „speichern“. Wenn wir ein Hologramm betrachten möchten, müssen wir es nur mit einer geeigneten Lichtquelle beleuchten, damit die Phasen- und Amplitudeninformationen der ursprünglichen Lichtwelle „dekodiert“ werden können, um das dreidimensionale Bild des Objekts zu rekonstruieren.

Schematische Darstellung des Prinzips der Hologramm-Herstellung

Das Aufkommen von Hologrammen bietet uns eine neue Möglichkeit, dreidimensionale Objekte auf einer zweidimensionalen Oberfläche zu verstehen. Darüber hinaus bietet es uns eine revolutionäre Perspektive auf dem Weg zum Verständnis der Natur des Universums – des holografischen Universums. Die Theorie des holographischen Universums stellt eine erstaunliche Vermutung auf: Vielleicht ist das dreidimensionale Universum, in dem wir leben, nur eine Projektion zweidimensionaler Informationen. Die physikalischen Informationen des gesamten Universums, einschließlich der Materie, Energie und des Raums, den wir wahrnehmen können, könnten von höherdimensionalen Oberflächeninformationen stammen.

Die Theorie des holographischen Universums ist nicht aus der Luft gegriffen, sondern basiert auf jahrzehntelanger physikalischer Forschung zu Schwarzen Löchern. Schwarze Löcher gehören zu den geheimnisvollsten und extremsten Objekten im Universum. Sie entstehen durch den Gravitationskollaps massereicher Sterne am Ende ihres Lebens. Aufgrund des starken Gravitationsfelds eines Schwarzen Lochs kann nicht einmal Licht aus ihm entkommen. Daher können wir nicht direkt beobachten, was im Inneren eines Schwarzen Lochs geschieht. In den 1970er Jahren entdeckten Physiker bei ihrer Untersuchung schwarzer Löcher ein rätselhaftes Phänomen. Nach unserem allgemeinen Verständnis hängt die Größe oder innere Komplexität eines Objekts normalerweise mit seinem Volumen zusammen. Je größer beispielsweise eine Box ist, desto mehr Informationen können darin gespeichert werden. Allerdings ist die Entropie eines Schwarzen Lochs proportional zu seiner Grenzfläche und nicht zu seinem Volumen.

Entropie

Entropie ist ein Kernkonzept der Thermodynamik, das erstmals im 19. Jahrhundert vom deutschen Physiker Rudolf Clausius vorgeschlagen wurde. Entropie ist im Wesentlichen ein Maß für den Grad der Unordnung in einem System, der die in einem System enthaltene „Informationsmenge“ oder „Möglichkeit“ widerspiegelt. Je höher die Entropie eines Systems ist, desto ungeordneter ist es und desto mehr Informationen enthält es.

Durch weitere wissenschaftliche Forschungen entdeckte der bekannte Physiker Stephen Hawking im Jahr 1974, dass Schwarze Löcher Wärmestrahlung (die sogenannte „Hawking-Strahlung“) aussenden, was darauf hindeutet, dass Schwarze Löcher keine ewig geschlossenen Systeme sind. Tatsächlich „verdampfen“ sie allmählich durch Strahlung, und diese Strahlung selbst wird auch durch die Informationen über die Grenze des Schwarzen Lochs bestimmt. Diese seltsame Eigenschaft Schwarzer Löcher dient als Inspiration für die Theorie des holographischen Universums: Da alle Informationen eines Schwarzen Lochs auf seiner Oberfläche „gespeichert“ werden können, stellt sich die Frage, ob die Informationen des gesamten Universums auch irgendwie auf einer „Oberfläche“ gespeichert werden können? Dies ist eine der Kernideen der Theorie des holographischen Universums: Das dreidimensionale Universum, in dem wir leben, ist möglicherweise nur eine Projektion zweidimensionaler Oberflächeninformationen.

Wenn wir diese Methode der Informationsspeicherung von Schwarzen Löchern auf das gesamte Universum ausweiten können, könnte dies bedeuten, dass alle physikalischen Phänomene im Universum – einschließlich Materie, Energie und Raum selbst – Manifestationen zweidimensionaler Oberflächeninformationen einer höheren Dimension sind. Diese Idee durchbricht unser intuitives Verständnis des dreidimensionalen Raums und schlägt ein völlig neues Konzept von Raum und Information vor. Dies lieferte eine vorläufige wissenschaftliche Grundlage für die Theorie des holografischen Universums und das holografische Prinzip war geboren.

Die Entwicklung der Theorie des holographischen Universums verändert nicht nur unser Verständnis der Welt, sondern versucht auch, ein grundlegenderes physikalisches Problem zu lösen: Wie lassen sich die beiden großen physikalischen Theorien der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie kombinieren, um einen in sich schlüssigen theoretischen Rahmen zu schaffen? Bevor wir dieses Problem erklären, wollen wir kurz die Kernideen dieser beiden großen physikalischen Theorien verstehen.

Allgemeine Relativitätstheorie

Diese Theorie wurde 1915 von Albert Einstein aufgestellt und revolutionierte unser Verständnis der Schwerkraft. Traditionell denken die Menschen, dass die Schwerkraft eine Kraft zwischen Objekten ist, doch Einsteins Theorie besagt, dass die Schwerkraft eigentlich eine Krümmung von Raum und Zeit ist. Materie verformt die Raumzeit um sie herum, weshalb wir die Schwerkraft spüren. Der Grund, warum sich die Erde um die Sonne dreht, liegt beispielsweise nicht darin, dass die Sonne die Erde „zieht“, sondern darin, dass die enorme Masse der Sonne eine „Krümmung“ des umgebenden Raums bewirkt und die Erde sich entlang dieser gekrümmten Bahn bewegt.

Quantenmechanik

Die Quantenmechanik ist eine Reihe von Theorien, die im frühen 20. Jahrhundert entwickelt wurden und unser Verständnis der mikroskopischen Welt revolutionierten. Die traditionelle Physik geht davon aus, dass die Position und Bewegung von Objekten präzise beschrieben werden können, während die Quantenmechanik zeigt, dass das Verhalten von Objekten im mikroskopischen Maßstab nicht mehr den klassischen deterministischen Gesetzen folgt, sondern probabilistisch ist.

Dies wirft die Frage auf: Wohin gehen die ursprünglichen Informationen der Materie, wenn diese in ein Schwarzes Loch eintritt? Es stellt sich die Frage nach dem endgültigen Schicksal der Schwarzen Löcher. Der Hawking-Strahlung zufolge existiert ein Schwarzes Loch nicht ewig. Durch diesen Quanteneffekt verdunstet es schließlich langsam und setzt Strahlung frei, bis das Schwarze Loch vollständig verschwindet. Allerdings handelt es sich bei der Hawking-Strahlung um thermische Strahlung, die keine spezifischen Informationen über die Materie im Inneren eines Schwarzen Lochs enthält. Das bedeutet, dass alle Informationen darüber, was in das Schwarze Loch eingedrungen ist, nicht mehr existieren, wenn das Schwarze Loch vollständig verdunstet. Dies widerspricht dem Prinzip der „Informationserhaltung“ der Quantenmechanik: Wenn nach dem Ende der Verdampfung des Schwarzen Lochs keine Spur der ursprünglichen Information mehr übrig ist, dann ist die Information vollständig verloren, was einen Verstoß gegen die Quantenmechanik darstellt.

Daher lautet das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs:

Die allgemeine Relativitätstheorie ermöglicht es, Informationen hinter einem Ereignishorizont zu verbergen. Wenn ein Schwarzes Loch durch die Hawking-Strahlung schließlich vollständig verdampft, scheint mit dem Verschwinden des Schwarzen Lochs auch die gesamte Materie und ihre Informationen verloren zu gehen, die ursprünglich in das Schwarze Loch gelangt waren. Diese Situation ist im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie sinnvoll, da sie keine Informationserhaltung erfordert.

Eines der Grundprinzipien der Quantenmechanik ist die Erhaltung der Information. Die Entwicklung jedes physikalischen Systems sollte umkehrbar sein, und selbst wenn sich ein System weiterentwickelt, können seine ursprünglichen Informationen in irgendeiner Form erhalten bleiben. Informationen können nicht einfach aus dem Nichts verschwinden. Wenn ein Schwarzes Loch verdampft, scheinen daher alle materiellen Informationen zu verschwinden, was im Widerspruch zu den Grundprinzipien der Quantenmechanik steht.

Nach dem holographischen Prinzip verschwinden die Informationen nicht wirklich, sondern werden am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs kodiert. Wenn ein Schwarzes Loch durch Hawking-Strahlung verdampft, verschwinden die Materie und die Informationen, die ursprünglich „verschluckt“ wurden, nicht mit dem Schwarzen Loch, sondern bleiben auf dieser zweidimensionalen Oberfläche erhalten und können möglicherweise durch einen Mechanismus der Quantenmechanik entschlüsselt werden. Damit wird der Konflikt zwischen dem Informationserhaltungsprinzip der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie bei der Verdampfung Schwarzer Löcher gelöst.

Mit der rasanten Entwicklung der Physik hat uns die Erforschung des holografischen Universums immer mehr Überraschungen beschert. Die alte philosophische Frage „Woher kommen wir und wohin gehen wir?“ wird vielleicht eines Tages beantwortet werden. Vielleicht kann alles, was im dreidimensionalen Raum existiert – sei es das Telefon, auf dem wir dies lesen, die Erde unter unseren Füßen oder eine weit entfernte Galaxie – tatsächlich irgendwie auf einer zweidimensionalen Ebene dargestellt werden. Es ist, als würden wir in einer riesigen „kosmischen holografischen Projektion“ leben und die wahren Informationen existieren in einem unsichtbaren hochdimensionalen Raum.

Planung und Produktion

Autor: Cai Wenchui, Doktorand am Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Rezensent: Liu Xi, Forscher am Beijing Planetarium