Se un amico ti avesse detto che viviamo tutti in un ologramma gigante, probabilmente gli avresti risposto di cambiare spacciatore. Ma, incredibile a dirsi, i fisici di tutto il mondo stanno iniziando a pensare lo stesso: che quello che noi vediamo come un universo tridimensionale potrebbe essere l’immagine di un universo a due dimensioni proiettato lungo un enorme orizzonte cosmico. Sì, è roba da pazzi. La natura tridimensionale del nostro mondo è il fondamento del nostro senso della realtà tanto quanto l’idea dello scorrere del tempo. E ora, alcuni ricercatori tendono a credere che le contraddizioni tra la teoria della relatività einsteiniana e la meccanica quantistica potrebbero essere conciliate se considerassimo ogni oggetto tridimensionale del nostro mondo come la proiezione di minuscoli byte subatomici contenuti in un mondo piatto.
“Se fosse vero, sarebbe un tassello davvero importante nella nostra conoscenza della realtà,” mi ha detto al telefono Daniel Grumiller, un fisico dell’Università Tecnologica di Vienna. Grumiller, insieme ai colleghi Max Riegler, Arjun Bagchi e Rudranil Basu hapubblicato recentemente il primo studio in assoluto che offre delle prove concrete che il cosiddetto principio olografico—secondo il quale certi spazi a tre dimensioni possono essere matematicamente ridotti a proiezioni bidimensionali—possa descrivere il nostro universo.
“Se vent’anni fa avessi chiesto a qualunque fisico quante fossero le dimensioni del mondo, ti avrebbe risposto ‘tre dimensioni spaziali più il tempo,’” ha aggiunto. “Il principio olografico è stato postulato per la prima volta più di 20 anni fa come una possibile soluzione al famoso paradosso dell’informazione del buco nero di Stephen Hawking.” (Il quale sostiene, essenzialmente, che i buchi neri sembrano inghiottire informazioni, cosa impossibile secondo la teoria dei quanti.)
Ma se il principio non è mai stato formalizzato matematicamente per i buchi neri, il fisico teorico Juan Maldacena ha dimostrato diversi anni fa che l’ipotesi olografica reggeva per un tipo di spazio teoretico chiamato spazio anti de Sitter. A differenza dello spazio del nostro universo, che su scala cosmica è relativamente piatto, lo spazio anti de Sitter ha una curvatura interna che ricorda una sella.
Per dimostrare che è effettivamente possibile vedere il nostro universo come un ologramma, è necessario calcolare le grandezze fisiche usando sia la teoria quantistica dei campi che quella della gravità in uno spazio “piatto,” e ottenere risultati corrispondenti. Grumiller ha deciso di provare a replicare una qualità fondamentale della meccanica quantistica—l’entanglement quantistico—usando la teoria della gravità.
Quando due particelle quantistiche sono legate dall’entanglement, non possono essere descritte individualmente, ma formano un solo “oggetto” quantistico, pur essendo distanti tra loro. Esiste un modo per quantificare l’entanglement di un sistema quantistico, conosciuto come “entropia dell’entanglement.” Dopo molti anni di ricerche, Grumiller e i suoi colleghi sono riusciti a dimostrare che questa entropia ha esattamente lo stesso valore se calcolata sia con la teoria gravitazionale che con la teoria quantistica dei campi, per quanto riguarda spazi simili al nostro universo.
“Questo calcolo conferma le nostre supposizioni sul fatto che il principio dell’ologramma possa realizzarsi anche in spazi piatti,” ha detto Riegler in uncomunicato stampa. “Prova la validità del principio di corrispondenza nel nostro universo.”
Lo scienziato del Fermilab Aaron Chou (a sinistra), e la studentessa della Vanderbilt University Brittany Kamai controllano lo Holometer usato per testare l’ipotesi che l’universo sia un ologramma in 2D.
Se il principio olografico si applica davvero al nostro universo, potrebbe forse aiutarci a risolvere le varie incongruenze tra la teoria della relatività e quella quantistica, incluso il paradosso dell’informazione del buco nero. Offrirebbe inoltre ai ricercatori un modo per rispondere a quesiti quantistici davvero complessi usando equazioni gravitazionali relativamente semplici. Ma prima di poter dire con certezza che viviamo dentro Matrix, c’è ancora un bel po’ di lavoro da fare.
“Abbiamo fatto questi calcoli usando la teoria gravitazionale a tre dimensioni e la teoria quantistica dei campi a due dimensioni, ma l’universo si sviluppa in tre dimensioni, più il tempo,” ha detto Grumiller. “Il passo successivo sarà generalizzare queste considerazioni per includere una dimensione in più. Ci sono molte altre grandezze che dovrebbero coincidere tra le due teorie, ed è anche su questo che stiamo lavorando ora.”
Aldilà delle considerazioni teoretiche, c’è la faccenda completamente diversa dell’abbattere l’illusione e osservare mediante esperimenti la natura olografica della realtà. I fisici al Fermilab del Department of Energy stanno provando a fare proprio questo.
Come abbiamo raccontato su Motherboard l’anno scorso, il Direttore del Fermilab Center for Particle Astrophysics Craig Hogan ha recentemente ipotizzato che il nostro mondo macroscopico sia come uno “schermo video a quattro dimensioni” creato da pezzetti simili a pixel di informazioni subatomiche trillioni e trillioni di volte più piccoli degli atomi. Ai nostri macroscopici occhi, qualsiasi cosa sembra a tre dimensioni. Ma esattamente come avvicinare la faccia allo schermo fa sì che i pixel diventino visibili, se scrutiamo abbastanza a fondo nella materia a livello subatomico, la bitmap del nostro universo olografico potrebbe rivelarsi.
A questo punto. Se questa definizione di spazio è corretta, allora, come per qualsiasi computer, la capacità di contenere e processare dati dell’universo è limitata. Inoltre, questo limite si porterebbe dietro segnali rivelatori—il cosiddetto “rumore olografico”—che possiamo misurare.
Come ha spiegato Hogan a Jason Koebler di Motherboard, se davvero viviamo in un ologramma, “l’effetto primo è che la realtà ha un numero di informazioni limitato, come un film su Netflix quando la Comcast non ti da abbastanza banda. È tutto un po’ sfocato e a scatti. Niente resta fermo, mai, si muove sempre un pochino.”
Il rumore della banda della realtà, si può dire, è esattamente ciò che sta cercando di misurare il laboratorio di Hogan, usando uno strumento chiamato Holometer, che è fondamentalmente un puntatore laser molto grande e potente.
“Stiamo cercando di stabilire se ci sia un limite alla precisione con cui possiamo misurare le posizioni relative di grandi oggetti,” mi ha scritto in una mail Robert Lanza, ricercatore postdoc. “Rappresenterebbe un limite nelle informazioni effettive immagazzinate dall’universo.”
L’Holometer. Immagine: Fermilab
L’esperimento che decifrerà questa cosa prevede la misurazione delle posizioni relative di grandi specchi lontani 40 metri, tramite l’uso di due interferometri laser Michaelson, con una precisione 1 miliardo di volte più piccola di un atomo. Se, come sostiene l’ipotesi del rumore olografico, le informazioni sulle posizioni dei due specchi sono finite, allora i ricercatori dovrebbero raggiungere un limite oltre il quale non dovrebbero essere in grado di risolvere ulteriormente le posizioni reciproche.
“E poi cosa succede?” mi ha detto Lanza. “Ci aspettiamo di cogliere semplicemente rumore, come se le posizioni delle ottiche danzassero in giro, senza riuscire a fissarsi con maggiore precisione. Alla fine, il segno che cerchiamo è un fondo di rumore irriducibile dato dal fatto che l’universo non può immagazzinare altre informazioni sulle posizioni degli specchi.”
Il gruppo al momento sta raccogliendo e analizzando dati, e si aspetta di trovare i primi risultati entro la fine dell’anno. Lanza mi ha detto che sono animati dal fatto che i loro strumenti hanno raggiunto fino ad ora la migliore sensibilità mai avuta a onde gravitazionali e alte frequenze.
“La fisica delle onde gravitazionali non è legata al rumore olografico, ma i risultati delle onde gravitazionali dimostrano che il nostro strumento opera alla massima qualità scientifica, e ora non rimane che scavare a forza di esperimenti nella scienza del rumore olografico,” ha detto Lanza.
Sembra dunque che per ora dovremo aspettare che i fisici facciano i loro calcoli difficili e sparino i loro laser per sapere se le nostre vite sono in realtà solo un’illusione sofisticata. Nel frattempo, la domanda fondamentale nella mia testa è, come diamine ci condizionerà una rivelazione del genere?
“Sapere questa cosa non avrà un impatto sulle nostre vite, come sapere del Big Bang o che esistono altre galassie non cambia la nostra quotidianità,” ha detto Grumiller.
“Ma sapere che l’universo ha avuto inizio con il Big Bang ha senza dubbio cambiato la nostra visione dell’universo, e allo stesso modo sapere che l’universo è un grande ologramma sarà una nozione profonda.”
Lanza è d’accordo. “Ci costringerebbe a cambiare radicalmente la nostra percezione della realtà, in un modo che, io stesso, faccio fatica a comprendere,” ha detto.
Indubbiamente, si scardina del tutto la definizione di “simulazione.” Se viviamo in un ologramma gigante, possiamo davvero dire che tutti quei mondi di sim e MMO che abbiamo costruito non sono reali quanto i pianeti, i cluster stellari e le galassie del nostro universo, che si riducono tutte alla fine dei conti in punti quantistici su una bitmap cosmica?
Forse l’unica cosa che possiamo dire con qualche certezza è questa: se il nostro universo è una simulazione è probabilmente molto più vicino alla perfezione di quanto noi potremo mai sperare di fare. In questo senso, vivere dentro Matrix non sembra poi tanto male.
Se questa descrizione dello spazio è corretta, allora come per ogni computer c’è un limite intrinseco alla capacità dell’universo di archiviare e processare informazioni.
“Lo spazio anti de Sitter non è direttamente rilevante per il nostro universo, ma ci permette di effettuare calcoli che altrimenti sarebbero complicatissimi, se non impossibili.”
All’interno di questo spazio teoretico, Maldacena ha mostrato che due set di equazioni fisiche si sovrapponevano perfettamente: le equazioni della teoria gravitazionale e quella della teoria quantistica dei campi. Questa corrispondenza era totalmente inaspettata, perché mentre la gravità è descritta in tre dimensioni spaziali, la teoria quantistica dei campi ne richiede soltanto due. Il fatto che le leggi della fisica producessero risultati identici a due o tre dimensioni indicava la natura olografica dello spazio anti de Sitter.
“Questa era la prima volta che qualcuno mostrava esplicitamente come funzionasse l’olografia,” ha continuato Grumiller. “Ma visto che il nostro universo non è uno spazio anti de Sitter—su larga scala è praticamente piatto—è interessante chiedersi se il principio olografico si applichi allo stesso modo anche allo spazio piatto.”