Leven we in een hologram? Dit is het onvoorstelbare idee waarop Erik Verlinde zijn nieuwe theorie baseerde

De nieuwe theorie van Erik Verlinde bevat een update van het bizarre holografisch principe. In deze voorpublicatie van het boek Elastisch Universum – ABC van de baanbrekende ideeën van Erik Verlinde duiken we dieper deze lastige, maar fascinerende theorie in.

Dit bericht is een voorpublicatie uit 'Elastisch Universum', het boek dat New Scientist-redacteur George van Hal schreef over de ideeën van Erik Verlinde. Bestel nu in onze webshop (€ 7,95)
Dit bericht is een voorpublicatie uit Elastisch Universum, het boek dat New Scientist-redacteur George van Hal schreef over de ideeën van Erik Verlinde. Bestel nu in onze webshop (€ 7,95).

Het klinkt als een idee dat rechtstreeks is weggewandeld uit sciencefictionfilm The Matrix: de wereld zoals wij die zien bestaat misschien niet echt. In plaats daarvan leven wij volgens sommige natuurkundigen in een hologram, een illusie.

De eerste die dit bizarre principe voorstelde was de Nederlandse Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft. Hij haalde zijn inspiratie uit het natuurkundig gesteggel over de ware aard van zwarte gaten en de herschikking van de werkelijkheid in termen van informatie.

Informatie gaat onherroepelijk verloren

Voordat het holografisch principe ten tonele verscheen, hadden fysici al afgeleid dat twee dingen gebeuren wanneer een voorwerp in een zwart gat valt. Allereerst peuzelt het zwarte gat het voorwerp op, een proces waarbij alle gedetailleerde informatie over dat voorwerp onherroepelijk verloren zou gaan. Tegelijk wordt de horizon rond dat zwarte gat een heel klein beetje groter. De horizon van een zwart gat is de afstand vanaf waar het onmogelijk is nog aan zijn sterke aantrekkingskracht te ontsnappen.

Dat informatie in een zwart gat verloren lijkt te gaan, is in tegenspraak met de tweede hoofdwet van de thermodynamica.  Die wet stelt dat de entropie, een maat voor de informatie van een systeem, altijd moet toenemen. Dat is echter onmogelijk wanneer het zwarte gat informatie genadeloos opslurpt en vernietigt. De oplossing schuilt in de groeiende horizon. Want als de entropie altijd toeneemt, en het oppervlak van de horizon van een zwart gat neemt ook altijd toe, dan zijn beiden voor een zwart gat misschien wel een en hetzelfde ding.

Fysici leidden zelfs heel nauwkeurig af hoeveel het oppervlak groeit. Voor elke bit aan informatie die in een zwart gat verdwijnt, blijkt het oppervlak  van zo’n zwart gat met een zogeheten planckoppervlak te groeien. Zo’n planckoppervlak is gedefinieerd aan de hand van een van de onwrikbare natuurconstanten die ten grondslag liggen aan de werkelijkheid. Het is vermoedelijk het kleinst mogelijke oppervlak dat kan bestaan.

Binnen in een zwart gat

Dat het oppervlak van een zwart gat groter wordt wanneer je er een bit ingooit, betekent dat wanneer je weet hoe groot dat oppervlak is, je ook weet hoeveel informatie het zwarte gat bevat. Dat het oppervlak een maat is voor het aantal bits, wil natuurlijk niet direct zeggen dat die informatie ook daadwerkelijk op het oppervlak te vinden is. Toch is juist dat wat fysici met het holografisch principe aantoonden. Elke bit die in een zwart gat verdwijnt, blijkt na afloop terug te vinden aan het oppervlak. Dat betekent dat zelfs de meest complexe informatie die in een zwart gat valt nooit helemaal verdwijnt. Hoewel het daarna voor ons in praktische zin ‘onleesbaar’ is, gaat het niet verloren. Iemand die de machinerie van zwarte gaten nauwkeurig doorgrond heeft, kan de verloren informatie in theorie reconstrueren.

De realisatie dat de informatie van een zwart gat alleen aan het oppervlak zit en niet in zijn binnenste, is van doorslaggevend belang voor het holografisch principe. Om dat aannemelijk te maken, maak ik eerst een zijstapje en richt me op de vraag: hoeveel informatie kun je maximaal in een stukje ruimte kwijt? Het antwoord volgt uit het volgende gedachte-experiment.

Boeken in een bol proppen

Stel je eens een bol om je heen voor met een diameter van, pak ‘m beet, 2 meter. Stel vervolgens dat we willen weten hoeveel informatie er in die bol past. Het boek waarin deze tekst staat, is minder dik dan de Dikke Van Dale, maar bevat toch best wel wat bits aan informatie. Dat boek kun je vasthouden en past in die bol. In onze bol van twee meter passen zelfs nog heel veel meer boeken.

Stel nu eens dat je die bol helemaal volpropt met boeken. Heb je dan de maximale hoeveelheid informatie in die bol gestopt? Het antwoord is: nee. Want het kan nog wel wat efficiënter. Je kunt in plaats van boeken immers ook allemaal USB-sticks of externe harde schijven in de bol proppen. Die bevatten veel meer informatie en nemen veel minder ruimte in. En als we straks een quantumcomputer ontwikkelen, past er misschien wel nog meer in.

Toch bestaat er wel een fundamentele limiet aan de hoeveelheid informatie die je in onze bol kunt proppen. Stel je eens voor dat we alsmaar meer USB-sticks in onze bol stoppen. We gaan door totdat ze allemaal vermorzeld worden. Totdat we zelf al lang en breed zijn stukgedrukt door een absurde stapel sticks, boeken en schijven. En zelfs dan houden we nog niet op. Op een gegeven moment zit die bol zo propvol dat de massa onder zijn eigen gewicht begint in te storten en ineens ontstaat een zwart gat. Pas dan, en niet eerder, past er met geen mogelijkheid meer informatie bij. Voeg je dan toch nog wat extra’s toe, dan groeit immers de horizon van het zwarte gat, zoals we net gezien hebben. En dan past dat zwarte gat dus niet meer in onze bol. Een zwart gat bevat, met andere woorden, de meest efficiënte opstapeling van informatie in de kosmos.

Dansen wij allen op de grillen van nullen en enen aan de rand van de kosmos?
Dansen wij allen op de grillen van nullen en enen aan de rand van de kosmos?

Meest efficiënte opstapeling van informatie

Nu we weten dat zwarte gaten de efficiëntste archiefkasten van de kosmos zijn, kunnen we het holografisch principe afleiden. We weten namelijk ook al dat voor elk zwart gat geldt dat al zijn informatie op de horizon rond dat zwarte gat zit. Maar, en hierin schuilt de crux: letterlijk elk stukje lege ruimte kan een zwart gat worden, zolang je er maar genoeg informatie inpropt. En als in de meest efficiënte opstapeling van informatie in een bepaald stuk ruimte alle informatie in een schil rond die ruimte zit, waarom zou de natuur dan in andere gevallen niet ook de informatie op die schil bewaren?

Dat was het schokkende inzicht dat Gerard ‘t Hooft met het holografisch principe lanceerde. Alle informatie in de kosmos zit volgens dat principe gevangen in een schil om de kosmos heen. Die schil zit op de grootst mogelijke afstand die denkbaar is, de denkbeeldige rand om het universum. Met andere woorden: de wereld om ons heen is niet echt, maar is het gevolg van een bizar spel van enen en nullen op een oppervlak dat miljarden lichtjaren van ons verwijderd is.

Dat betekent dat het heelal sterk lijkt op een hologram. Bij zo’n hologram zit alle informatie namelijk ook gevangen op een tweedimensionaal oppervlak. Het is – net als bij een zwart gat – wel een beetje verstrooid. Door naar dat oppervlak te kijken zie je niets dat duidt op hoe het hologram eruit gaat zien. Maar als je weet hoe het hologram werkt, en je schijnt er op de juiste manier met een licht op, dan ontstaat vanzelf een prachtig driedimensionaal beeld.

Holografisch principe

Dat is de reden dat de bekende Amerikaanse fysicus Leonard Susskind het idee van ’t Hooft de naam ‘holografisch principe’ meegaf. Susskind vertaalde het op zijn beurt naar de taal van de snaartheorie,  een van de belangrijkste kandidaat-theorieën in de poging tot unificatie van alle natuurkrachten. Later liet de Argentijnse fysicus Juan Maldecena zien hoe je het holografisch principe praktisch kon toepassen in een beschrijving van de kosmos. Daarna ontwikkelde het principe zich, hoe tegendraads en onvoorstelbaar het ook is, tot een in de moderne natuurkunde breed gedragen idee.

Daarbij bleef echter wel één probleem over. De snaartheorie beschrijft in de meeste varianten van die theorie namelijk helemaal niet de kosmos zoals wij die kennen. Het beschrijft een universum waarmee fysici ietsje makkelijker kunnen rekenen. Eentje waarbij de mysterieuze, onbegrepen donkere energie (zie ook het hoofdstukje kosmologische constante) zich niet gedraagt als een soort antizwaartekracht, zoals in onze kosmos, maar als een min of meer ‘gewone’ variant van de zwaartekracht.

Andere fysici proberen het holografisch principe daarom te vertalen naar de echte kosmos. Een van hen is Erik Verlinde. In tegenstelling tot de meesten, komt hij daarbij echter tot een compleet nieuwe conclusie. Waar de meesten het holografisch principe stevig in het zadel houden, concludeert Verlinde dat informatie helemaal niet uitsluitend gevangen zit op een tweedimensionale schil op de kosmologische horizon. Volgens hem klopt het holografisch principe inderdaad keurig voor de theoretische universa die de snaartheorie beschrijft, maar zit de informatie in ons ware heelal zowel op een tweedimensionale schil als in het driedimensionale binnenste van de kosmos.

Einstein afleiden

Dat idee kun je volgens Verlinde zelfs testen. Wie strikt het traditionele holografisch principe toepast op de beschrijving van de kosmos vindt, na flink wat rekenwerk, vanzelf de wetten van Einstein terug, exact zoals Einstein ze aan het begin van de vorige eeuw noteerde. Ga je echter uit van een universum waarin informatie wél deels driedimensionaal is, dan vind je wetten die er net ietsjes anders uit zien.

Voor kleine stukjes ruimte blijkt volgens Verlinde de invloed van de informatie op de tweedimensionale schil om dat stukje ruimte dominant. Je krijgt dan uitkomsten die overeenkomen met die van het holografisch principe en de wetten van Einstein. Maar wanneer je naar grotere gebieden gaat kijken, met steeds grotere volumes, gaat de bijdrage van de informatie in het driedimensionale binnenste een steeds belangrijkere rol spelen. Dat zorgt voor subtiele aanpassingen op de wetten van Einstein.

Dat inzicht verklaart, net als bijvoorbeeld MOND, waarom de draaisnelheid van de buitenste sterren in sterrenstelsels volgens een regelmatig patroon afwijkt van de voorspellingen van Einstein. Het verklaart zelfs waarom in het waarneembare universum, met zijn enorme volume, zoveel donker spul nodig is om tot een sluitend verhaal te komen. De aanpassing van Verlinde op het kosmologisch principe geeft daarom op natuurlijke wijze een antwoord op het raadsel waar 95 procent van het heelal verstopt zit.

Dit bericht is een voorpublicatie uit Elastisch Universum, het boek dat New Scientist-redacteur George van Hal schreef over de ideeën van Erik Verlinde. Bestel ‘m nu in onze webshop (€ 7,95).

Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.

Lees verder:

21 Reacties

  • Johan

    | Beantwoorden

    Een ingewikkelde theorie super helder uitgelegd! Dank

  • Martin

    | Beantwoorden

    Je vraagt je af wat het verschil nog is met Plato’s allegorie van de grot…

    • Jan

      | Beantwoorden

      Het verschil met Plato’s allegorie is dat Verlinde aanneemt dat niet alle informatie op de schil zit maar dat er ook informatie zit in de ruimte binnen de schil, nee? Om een analogie met Plato’s allegorie te kunnen maken zou *alle* informatie op de schil moeten zitten.

    • johan

      | Beantwoorden

      ik moet hier nog eens goed over na denken

  • Tomas

    | Beantwoorden

    Mooi geschreven! Ik ben heel benieuwd geworden naar het hele boek. En ik vraag me af hoe je deze theorie empirisch kunt toetsen. Is daarbij wel het onderscheid te maken met voorspellingen van MoND? Staat daar wat over in het boek?

    • George

      | Beantwoorden

      Goede vraag. MOND heeft in het boekje een eigen hoofdstukje, dus het komt daarin zeker ter sprake. Het korte antwoord is: de formules van Verlinde lijken sterk op MOND, maar zijn niet exact hetzelfde.

      Omdat de theorie van Verlinde bovendien op achterliggende natuurkundige inzichten berust (itt MOND), is de verklarende kracht op termijn vermoedelijk ook groter.

  • Peter

    | Beantwoorden

    Dit holografische wereldbeeld doet me sterk denken aan beschrijvingen van ruimtelijke objecten in termen van de projectieve meetkunde.
    De projectieve ruimte wordt begrensd door een z.g. oneigenlijk vlak dat je op het oneindige van de ruimte kunt denken.
    Als we nu bv een kubus in de projectieve ruimte gaan beschrijven dan vinden we informatie over die kubus in dat oneigenlijke vlak op het oneindige.
    De kubusruimte wordt ingesloten door 6 vlakken en deze 6 vlakken snijden in het oneindige het oneigenlijke vlak.
    Op dat oneigenlijke vlak vinden we dus 6 lijnen als informatie van de bewuste kubus.
    Deze 6 lijnen geven n.l. de richtingen aan van de grensvlakken van de kubus.
    Laten we nu de kubus een kristal zijn.
    Het kristal kunnen we alsvolgt dan op twee manieren opgebouwd zien:
    De gewoonlijke zienswijze is het kristal opgebouwd te zien uit atomen, dus uit kleine deelruimten.
    De andere zienswijze is dan het kubus-kristal opgebouwd te zien door drie stelsels van evenwijdige vlakken waarbij elk stelsel vlakken een gemeenschappelijke lijn op het oneigenlijke vlak in het oneindige hebben.
    De vlakken herbergen in hun snijpunten binnen het kristal de atomen.
    We zien zo twee vormen van ‘wederkerige informatie’.
    Je zou n.l. kunnen denken – zoals gebruikelijk – dat de atomen het kristal vormen, maar evenzogoed zou je kunnen denken dat de informatie op het oneigenlijke vlak het kristal vormt.
    Maar, ook zou je kunnen denken dat de totale informatie voor het kristal het totaal is van de informatie binnen het kristal en de informatie erbuiten op het oneindige van het oneigenlijke vlak.

  • koos

    | Beantwoorden

    “Maar wanneer je naar grotere gebieden gaat kijken, met steeds grotere volumes, gaat de bijdrage van de informatie in het driedimensionale binnenste een steeds belangrijkere rol spelen”
    Dat lijkt me nogal wiedes, omdat (bij toenemende afmetingen) het volume met de derde macht, en het oppervlak met de tweede macht toeneemt.

  • Marque

    | Beantwoorden

    3 miljard jaar evolutie en we blijken gewoon een illusie te zijn, ik ben gedesillusioneerd.

  • Mark van bijnen

    | Beantwoorden

    Verklaart dit dan ook het uitdijen van het heelal omdat er meer informatie wordt gecreëerd die daar dan ook wordt opgeslagen? Is het heelal zelf dan ook geen black hole?

  • Mario Geeven

    | Beantwoorden

    Donkere materie kun je zien als een (tv) beeldbuis, dat blijft zwart tot je het aanspreekt.
    Zwart gat spreekt het aan.

  • David

    | Beantwoorden

    Volgens mij was Micheal Talbot de eerste die hiermee kwam?

    https://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Talbot_(author)

  • O.K.

    | Beantwoorden

    Duidelijk verhaal (zover mogelijk ..) Eindelijk een explicateur die uitlegt dat de tweede hoofdwet van de thermodynamica genoemd wordt (in een populaire uitleg) in verband met het wel-of-niet verloren gaan van informatie als materie in een zwart gat verdwijnt. Dat maakt het in 1 klap begrijpelijker.

  • Menno Poelsma

    | Beantwoorden

    Als we in een hologram leven wie zit er dan achter de knoppen? Zijn dat intelligente wezens zoals wij? Of zijn we het speelgoedje van een kind? Of een entiteit die wij god noemen? Of kan een hologram uit zichzelf ontstaan? Of zijn we een programma, experiment wat zij, het of hun vergeten is. Of in achteloze onverschilligheid achter gelaten? Ik zou hier graag antwoord op willen hebben.

    • Peter van Nijnatten

      | Beantwoorden

      Dat wij volgens sommige natuurkundigen in een hologram, een illusie, zouden leven is onzin. Ook de daarop zinspelende titel is misleidend. Erg jammer want de rest van het artikel zit erg goed in elkaar!
      Het holografisch principe is het idee dat de eigenschappen van iedere gebied in de ruimte, inclusief alle daarin bevindende deeltjes, volledig kan worden beschreven door een theorie die de eigenschappen van het buitenopppervlak van dat gebied beschrijft. Het legt met name de link tussen het aantal mogelijke vrijheidsgraden binnen een volume en de grootte van het oppervlak dat dat volume begrenst.
      Als het holografisch principe klopt betekent dat niet dat het universum een hologram is en dat wij in een illusie leven.
      De reden waarom dit het holografisch principe wordt genoemd is omdat een hologram in feite ook een twee dimensionale codering is van een drie-dimensionale afbeelding en dat het handig is om het principe daarmee uit te leggen.

    • elly blum

      | Beantwoorden

      er is alleen maar God. In het boek ‘een cursus in wonderen’ staat het heel erg duidelijk uitgelegd. Jij bent een uitbreiding van God en God trekt aan de touwtjes. maar jij heb teen keuze, of God aan de touwtjes laten trekken en leven in vrede en overvloed, of het ego aan de touwtjes laten trekken en leven in angst, pijn, ellende.

  • Hans D

    | Beantwoorden

    Na deze toelichting van Peter van Nijnatten durf ik het erboven geschreven sprookjesachtige verhaal van “leven in een hologram” als in een slechts geprojecteerde schijnwereld – een soort illusie – ook serieus in mijn beperkte hersenen toe te laten. Termen als: wel of niet verdwijnende informatie in de horizon van een zwart gat moet ik dat opvatten als het vernietigen van materie? Hetgeen immers volgens de thermodynamica onmogelijk is? Hebben ze het eigenlijk over entropie?
    Peter bedankt. Graag meer van deze soort uitleg. Volgens mij zie je het goed dat veel mensen kopschuw worden van die on(be)grijpbare terminologie…

  • elly blum

    | Beantwoorden

    Fijn om te lezen dat het eindelijk wetenschappelijk bewezen is/wordt dat het universum een hologram is. In het boek ‘een cursus in wonderen’ staat ook al dat het universum een illusie is, en er wordt uitgebreid ingegaan over het hoe en wat. het universum is een illusie, onze lichamen zijn een illusie, en alleen God is werkelijkheid. Maar we kunnen de werkelijkheid anders zien, en denken dat er een universum is en dat we een lichaam zijn/hebben. Dat dit nu ook wetenschappelijk aangetoond is, is de volgende stap volgens mij dat er wetenschappelijk bewezen gaat worden dat gedachten scheppend zijn. Elke gedachte. Alleen het ego (wat niet bestaat) zal proberen dit te ontkennen.

    • Steven

      | Beantwoorden

      Er is helemaal niet bewezen dat het universum een hologram is, zelfs niet dat het universum feitelijk tweedimensionaal zou zijn, zie de reactie van Peter van Nijnatten hierboven.

      Fijn dat je een leuk leesboekje hebt, maar als er íets een illusie is, is het god wel. Evenmin zijn gedachten scheppend, gedachten en bewustzijn zijn emergenten verschijnselen van een voldoende complex informatieverwerkend systeem.
      Aldus een ego. Een ego dat ontkent, dus bestaat.

Plaats een reactie