Ett internationellt forskarlag publicerade nyligen nya belägg för att en holografisk beskrivning av vårt universum ger en lika bra förklaring till kosmiska bakgrundsstrålningen som kosmologernas standardmodell. Även om universums senare utveckling fortfarande beskrivs bättre av inflationsteorin har den holografiska bilden av universum fått en skjuts framåt.

Den kosmiska bakgrundsstrålningen, observerad med WMAP.
Nio års observationer med WMAP av den kosmiska bakgrundsstrålningen sammanställda till en bild. Strålningen avslöjar 13,77 miljarder år gamla temperaturfluktuationer, och visar avtrycket från universums första ögonblick. Bild: NASA / WMAP Science Team.

Det var fysiker som försökte lösa svarta hålens seglivade informationsparadox som först kom på idén om den holografiska principen. Paradoxen, som framlades av Stephen Hawking och Jacob Bekenstein under mitten av 1970-talet, säger att information permanent kan försvinna i ett svart hål. Teorin är kontroversiell eftersom den tycks bryta mot kvantfysikens lagar. En lösning – som nu blivit extra aktuell – är den holografiska principen. Teorin för denna beskrevs först av Gerard ‘t Hooft i början av 1990-talet och utvecklades senare av Leonard Susskind.

Vi tog kontakt med Bo Sundborg, fysikprofessor vid Stockholms universitet, för att ta reda på mer. Han förklarar att den holografiska principen börjar kunna mäta sig med andra förklaringar till kosmiska bakgrundsstrålningens små ojämnheter. Teorin om universums extremt snabba inflation vid alltings början får nu konkurrens.

Enligt den holografiska principen rymmer en specifik volym en viss maximal mängd information, vilket gör att denna information begränsas av volymens ytarea. Informationen inom en volym är alltså kodad på volymens yta. All information som bygger upp våra tre rumsdimensioner samt tidsdimensionen kan alltså betraktas som lagrade på ytan. Detta kan liknas vid hur en tredimensionell bild kan etsas in i ett tvådimensionellt hologram, eller en tredimensionell film kan visas på en tvådimensionell skärm.

I kosmiska sammanhang bygger principen på antagandet att en volym med storleksordningen av en Planck-längd – den minimala skala där kvantmekaniken väntas ta över från tyngdkraften – rymmer en minsta möjliga informationsmängd. Om teorin stämmer skulle därmed informationen om allt som faller in i ett svart hål ”sparas” i det svarta hålets händelsehorisont, vilket löser paradoxen.

När principen tillämpas på vårt universum kan all information inom det betraktas som lagrad på den yttre gränsen av det observerbara universum. Och nu har ett internationellt forskarlag visat att de observationer av den kosmiska bakgrundsstrålningen som vi har tillgång till idag ger lika stort stöd till denna beskrivning av det tidiga universum som Lambda-CDM-modellen, den modell som hittills har betraktats som standard. Det skriver Southamptons universitet i ett pressmeddelande.

Niayesh Afshordi är professor i astronomi och fysik i Kanada samt huvudförfattare av studien. Han berättar i ett nyhetsinlägg från Waterloos universitet att de holografiska modeller som gruppen har använt ger flera distinkta förutsägelser som kommer att kunna testas inom de kommande fem åren. Förhoppningen är att vi ska nå djupare insikter i hur tid och rum uppstod, menar han, samt att utveckla en fungerande teori för kvantgravitation. Om detta lyckas så kan ett av den moderna fysikens dilemman lösas – föreningen av kvantmekaniken och relativitetsteorin.

Tidslinje för det holografiska universum
Tidslinje för det holografiska universum. Modellen stämmer väl överens med observationer av den kosmiska bakgrundsstrålningen, men inte med senare epoker i universums historia. Bild: Paul McFadden.

Inflationsteorin är förvisso effektiv, skriver forskarna själva i studien, men den bryter samman när tidsspannet närmar sig big bang. För en fysikalisk beskrivning av universums första ögonblick krävs en fungerande teori för kvantgravitation. En av de djupaste insikterna inom kvantgravitation som vi har nått under det senaste decenniet är att den skulle kunna vara holografisk, skriver de vidare. Och just detta ledde dem till att tillämpa holografi på det tidiga universum. Forskarna betonar dock att tillämpningen av holografi på universum är hypotetisk och att detta fortfarande är en öppen fråga för andra att ta sig an.

Det trick som forskargruppen har använt sig av är att tillämpa den holografiska principen på ”big bangs rand”. Denna kan observeras tack vare den kosmiska bakgrundsstrålningen, det äldsta ljuset i universum som avslöjar avtrycket från universums tidigaste tillstånd. Observationer av strålningen låter forskare studera kvantgravitation vid randen.

Matematiskt sett visar sig den holografiska principen fungera väl även här tack vare överensstämmelsen med observationerna, summerar Stuart Clark i Guardian. Bo Sundborg håller med.

– Artikeln påvisar att en kvalitativt ny typ av modell är ett alternativ till inflationsmodellerna, säger Bo Sundborg som vid tillfället för intervjun är i Southampton för att arbeta med Kostas Skenderis, en av forskarna bakom den aktuella studien.

Inflationsmodeller bygger på antaganden som många har tagit för givet, och Bo Sundborg menar att en av de mest intressanta aspekterna med denna nya typ av modeller är att dessa antaganden kan nu undvikas. Men även om forskarnas modell stämmer väl överens med observationer av den kosmiska bakgrundsstrålningen, så framhåller han att så inte är fallet för senare tider i universums historia. Dagens universum beskrivs bättre av inflationsmodeller, vilka har 35 år på nacken, säger han.

Skulle då observationer av bakgrundsstrålningen kunna användas för att studera en teori för kvantgravitation inom ramen för holografiska modeller? Jo, och det vore naturligtvis det riktigt stora, säger Bo Sundborg.

– Holografiska modeller tar automatiskt hänsyn till vissa aspekter av kvantgravitation. En svårighet är att skilja kvantgravitationseffekter från annat i dessa modeller, men detta handlar mer om bokföring än om förutsägelser. En annan svårighet är att det kan finnas en uppsjö av nya modeller som är lika bra, påpekar Sundborg.

Fermilabs Holometer
Fermilabs Holometer i Illinois är konstruerad för att studera rumtidens kvantkaraktär. Bild: Fermilab.

Försök att avgöra huruvida den holografiska principen kan beskriva universum fundamentala uppbyggnad har utförts tidigare. Vid Fermilabs Holometer, ett instrument som är konstruerat för att studera rumtidens potentiella kvantkaraktär, har forskare under flera år sökt efter belägg. Fysikern Craig Hogan vid Fermilab har till och med föreslagit att den holografiska principen leder till att rumtiden är pixelerad. Vi har tidigare skrivit om experimentella studier av hans teori, men de senaste resultaten från anläggningen har visat att den troligtvis inte stämmer. Liknande teorier har framförts, bland annat av Jacob Bekenstein som även föreslog hur hans teori skulle kunna testas med utrustning som ryms på ett bord.

Bo Sundborg menar att dessa teorier än så länge inte utgör några konkurrenter till rådande teorier.

– För mig låter de intressanta, men svagt kopplade till de mer solida ramar som vi i allmänhet använder vid teoretiska studier av holografi, säger han.

Om framtida forskning visar att universum verkligen är holografiskt så behöver du ändå inte vara orolig för att vi skulle leva i någon motsvarighet till The Matrix. Det enda teorin egentligen säger är att den fyrdimensionella rumtid som vi lever i matematiskt sett är identisk med en beskrivning där all information är lagrad på universums rand.

Titta på filmen nedan, från World Science Festival, för en kort beskrivning av den holografiska principen och dess bakgrund. Om du har en kvart till övers så rekommenderar jag även YouTube-kanalen The Good Stuff:s klipp där Leonard Susskind inspirerande berättar om teorin och hur vi kan förstå den!