HET HOLOGRAM VAN 'T HOOFT

Het idee dat onze alledaagse fysica een reflectie kan zijn van een fundamentele theorie in een hogerdimensionale ruimte wordt pas echt interessant als daaraan een inzicht van de kersverse Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft wordt toegevoegd. Hij beweert dat onze wereld in wezen als een hologram is. Een hologram bestaat uit een fotografische plaat waaruit via lasertechnieken een levensecht driedimensionaal beeld opduikt. Maar de derde extra dimensie is slechts een illusie.

't Hooft verkreeg zijn idee uit de bestudering van zwarte gaten. Zwarte gaten zijn een van de raadselachtigste objecten in het universum, exotische oplossingen van Einsteins vergelijkingen waaruit niets, zelfs het licht niet, lijkt te kunnen ontsnappen. Er is nu overtuigend astrofysisch bewijs voor hun bestaan. Sommigen zwarte gaten zijn zo zwaar als sterren, maar er zijn ook aanwijzingen voor monsterlijke grote slokops in de centra van melkwegstelsels die miljoenen sterren hebben verorberd.

Als een object in een zwart gat valt verdwijnt bijna alle informatie. Alleen de totale massa blijft over. Stephen Hawking ontdekte dat via de wetten van de quantummechanica de materie wel weer uit het zwarte gat kan ontsnappen – een zwart gat is niet echt zwart – maar alleen in de vorm van warmtestraling waaruit alle informatie verdwenen is. Daarmee vervalt het determinisme, het unieke verband tussen verleden en toekomst. Twee verschillende werelden die beide in een zwart gat vallen zouden dezelfde eindsituatie kunnen opleveren. We kunnen de film van de natuur niet terugspoelen. De meeste fysici (maar niet Hawking) geloven dat de informatie toch ergens in het zwarte gat terug te vinden moet zijn.

Rondom een zwart gat bevindt zich een imaginaire bol, waarnemingshorizon geheten, een soort point-of-no-return met de magische eigenschap dat alles wat die grens passeert onherroepelijk in het binnenste valt en vernietigd wordt. Volgens de berekeningen van Jacob Bekenstein en Hawking zelf blijkt dat de entropie, de maximale hoeveelheid informatie die bevat kan zijn in een zwart gat, evenredig is met de oppervlakte van de horizon – ruwweg een bit informatie per vierkante Planck-lengte. Dit resultaat leidde 't Hooft er toe te veronderstellen dat in het algemeen in een stukje ruimte nooit meer informatie kan worden opgeslagen dan de oppervlakte van de wand gemeten in Planckse eenheden.

Dit is volslagen tegenintuïtief. Men zou verwachten dat de informatie met het volume groeit. We zouden bijvoorbeeld een doos kunnen vullen met microscopisch kleine computergeheugens. Als we alle afmetingen van de doos twee keer zo groot maken, zou er acht keer zoveel geheugen in passen en zou er ook acht keer meer informatie in kunnen worden opgeslagen. Maar het holografische principe zegt dat, net als in een hologram, alle informatie in wezen op de wand is geprojecteerd. Daarmee zou de informatie dus op z'n hoogst vier keer zo groot worden.

Deze theoretische bovengrens heeft geen praktische gevolgen. Omdat de Planck-lengte zo ontzettend klein is, is in ons heelal de maximaal toegestane entropie veel en veel groter dan de totale informatie die op dit moment nodig is om de toestand van de wereld te beschrijven. Maar als de theorie juist is, zouden bijvoorbeeld alleen al de zwarte gaten in de centra van de melkwegstelsels zo'n 10 procent van alle entropie in het universum kunnen bevatten.

Het holografische principe is recentelijk op spectaculaire wijze bevestigd door de jonge Argentijnse fysicus Juan Maldacena uit Harvard. Hij wist aan te tonen dat een klasse van modellen die dicht in de buurt komen van ons Standaard Model van de elementaire deeltjes een hogerdimensionale holografische interpretatie in de snaartheorie kunnen hebben. Zijn werk is met meer dan duizend citaties in een jaar een onbetwiste wetenschappelijke tophit. Hij is zelfs vereeuwigd met een aangepaste versie van de dansrage de Macarena, die op de voorpagina van de New York Times werd afgedrukt. De combinatie van holografie, met haar illusionaire dimensies, en de braantheorie lijkt op dit moment de meest veelbelovende weg om de raadsels van de zwaartekracht te ontcijferen.