Leben wir in einem Hologramm?

Alles nur eine Illusion? Ein einzigartiges Experiment soll herausfinden, ob wir in einem holografischen Universum leben – einem Kosmos, dessen drei Dimensionen nur eine Projektion winziger zweidimensionaler Grundbausteine sind. Das klingt verrückt, ist aber in der Quantenphysik denkbar. Das „Holometer“ in den USA soll dieser Frage auf den Grund gehen und hat nun seine Arbeit aufgenommen.

Ein Hologramm erzeugt die Illusion eines dreidimensionalen Bildes, dennoch ist die Information dafür nur in zwei Dimensionen gespeichert – auf einer speziellen Fotoplatte. Und so ähnlich stellt sich eine Theorie über die Natur unseres Universums auch den Kosmos vor: als Projektion winziger Grundeinheiten, die nur zwei Dimensionen besitzen. Diese „Grundpixel“ der Raumzeit verbergen sich der Theorie des holografischen Universums nach in der kleinstmöglichen Größenordnung des Raums, der Plancklänge von 10 hoch minus 33 Zentimetern.

Schwarze Löcher und ein Gitternetz

Indizien dafür könnte möglicherweise das Verhalten Schwarzer Löcher liefern. Denn nach neuesten Erkenntnissen verschwindet ein Objekt, das in ihr Inneres hineingesogen wird, nicht völlig. Stattdessen sorgen die Quantenfluktuationen dafür, dass Teilchen kopiert und wieder nach außen als Hawking-Strahlung abgegeben werden. Aus dieser wiederum lassen sich Informationen über das Inneres des Schwarzen Lochs entnehmen, beispielsweise über seine Entropie.

Diese aber, so stellte Stephen Hawking fest, entspricht ziemlich genau einem Gitternetz, das über die Oberfläche des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs gelegt wird. Die Zahl der jeweils eine Planck-Länge im Quadrat großen Zellen (10 hoch minus 33 Zentimeter) gibt die Entropie an. „in der Sprache der verborgenen Information ist das so, als würde jede Zelle insgeheim ein einziges Bit enthalten, die eine JA/Nein-Antwort auf einen Aspekt des Mikroskopischen Aufbaus des Schwarzen Lochs beantwortet“, erklärt der Physiker Brian Greene das Prinzip.

„Grundpixel“ der Raumzeit auf Quantenebene?

Diese Überlegungen zu Schwarzen Löchern wiederum lösten die Frage aus, ob nicht auch alle anderen Informationen des dreidimensionalen Kosmos in solchen zweidimensionalen Einheiten gespeichert sein könnten. Die Raumzeit wäre dann letztlich ein Produkt eines zweidimensionalen Quantensystems aus kleinsten Einheiten – und diese müssten, so die Theorie, sich durch ständige Vibrationen verraten.

So verrückt dies auf den ersten Blick klingt, Wissenschaftler halten diese Möglichkeit immerhin für wahrscheinlich genug, um nun in einem aufwändigen Experiment gezielt nach Hinweisen darauf zu suchen. Das eigens dafür konstruierte Holometer am Fermi National Accelerator Laboratory in den USA soll das von dieser Theorie postulierte Zittern der Raumzeit einfangen. „Wir wollen herausfinden, ob die Raumzeit ein Quantensystem ist wie die Materie auch“, sagt Craig Hogan, Leiter des Fermilab Center for Particle Astrophysics. „Sollten wir etwas finden, würde dies die seit tausenden von Jahren bestehenden Ideen über den Kosmos komplett umkrempeln.“

Aufbau des Holometer-Experiments © Fermilab

Ein Messgerät für das Grundrauschen der Raumzeit

Das Holometer besteht aus Interferometern, die jeweils einen Laserbeam von einem Kilowatt Leistung aussenden. Dieser geht durch einen Strahlenteiler und wird in zwei 40 Meter lange Röhren geleitet und an deren Ende zum Interferometer zurückreflektiert. Dieses rekombiniert die Laserstrahlen und kann nun an den Überlagerungen und Verschiebungen ihrer Wellenphasen erkennen, ob es ein Quantenrauschen gibt.

Natürlich wird die Anlage auch durch unzählige andere Erschütterungen und Wellen bewegt, die Phasenverschiebungen auslösen können. Um diese Störungen zu umgehen, nutzen die Forscher eine extrem hohe Frequenz für ihr Experiment, Millionen von Zyklen pro Sekunde, die sich von dem von der normalen Materie verursachten Grundrauschen abhebt, wie die Physiker erklären.

„Wen wir dann ein Rauschen finden, dass wir auch durch Herausrechnen aller möglichen Störquellen nicht loswerden, dann könnte es sich um etwas fundamentales handeln – ein Rauschen, dass eine Grundeigenschaft der Raumzeit darstellt“, sagt Holometer-Projektleiter Aaron Chou. Die Messungen am Holometer haben nun jedenfalls begonnen. Ob es brauchbare Ergebnisse liefert und was diese Ergebnisse dann letztlich aussagen, bleibt allerdings ebenso ungewiss wie die tatsächliche Natur unseres Universums.

(DOE/ Fermi National Accelerator Laboratory, 28.08.2014 – NPO)