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Die seltsame Verbindung zwischen Information und Materie: Wie können wir Informationen nutzen, um die Funktionsweise des Universums zu verstehen?
In der modernen Physik haben die Natur der Information und ihre Beziehung zur Materie die Gedanken vieler Wissenschaftler angeregt. Nach dem holographischen Prinzip können die Vorgänge im Universum durch Informationen verstanden werden, eine Sichtweise, die unser grundlegendes Verständnis physikalischer Größen verändert. Das holographische Prinzip wurde erstmals von Gerard Hoft vorgeschlagen und von Liam Susskind weiterentwickelt und ausgedrückt. Seine Kernidee besteht darin, dass die Beschreibung des dreidimensionalen Raums tatsächlich als in eine zweidimensionale Begrenzung eingebettet betrachtet werden kann. Informationen zu.
„Die dreidimensionale Welt, die wir erleben – voller Galaxien, Planeten, Häuser, Felsen und Menschen – ist eigentlich ein Hologramm, eine Realität, die auf einer entfernten zweidimensionalen Oberfläche kodiert ist.“
Die Grundlage dieser Theorie ist die Bekenstein-Grenze, die besagt, dass die maximale Entropie eines Bereichs proportional zu seiner Fläche und nicht zu seinem Volumen ist. Dies zeigt, dass der Informationsgehalt sowohl von Schwarzen Löchern als auch von gewöhnlicher Materie an ihren Grenzen vollständig aufgezeichnet werden kann, was uns neue Überlegungen zur Zusammensetzung der Materie ermöglicht.
Informationsparadoxon schwarzer Löcher
Hawkings Berechnungen zeigten, dass die von einem Schwarzen Loch emittierte Strahlung scheinbar unabhängig von der Materie ist, die es absorbiert, was ein tiefes Paradoxon aufwirft. Gemäß der Quantenmechanik sollte es bei einer Änderung der Wellenfunktion eines Quantenzustands zu einem entsprechenden Informationsfluss kommen. Könnte ein Schwarzes Loch jedoch reine Zustände absorbieren, die Strahlung jedoch nur in gemischten Zuständen wieder aussenden, so würde dies einen Informationsverlust bedeuten und damit ein grundlegendes Prinzip der Quantenmechanik verletzen. Dieses Paradoxon zwingt Wissenschaftler dazu, die tiefere Verbindung zwischen kosmischer Struktur und Information zu erforschen.
„Die Entropie eines Schwarzen Lochs ist proportional zur Fläche seines Ereignishorizonts, statt wie üblich mit dem Volumen zuzunehmen.“
Die Äquivalenz von Information und Materie
Traditionell wird die Entropie als Maß für die „Unordnung“ eines physikalischen Systems betrachtet. Mit dem Konzept der Shannon-Entropie kann die Informationsmenge jedoch auch als Maß für die Existenz von Materie betrachtet werden, was zu einer neuen Ansicht führt, dass möglicherweise ein tiefer intrinsischer Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Materie und dem Inhalt der Information besteht. .
In seinem Artikel wies Bekenstein darauf hin, dass die thermodynamische Entropie und die Shannon-Entropie konzeptionell gleichwertig sind, was uns eine völlig neue Perspektive zum Verständnis der Grenze zwischen Materie und Information bietet. Er fragte:
Diese Frage regt zum Nachdenken darüber an, ob Informationen der Schlüssel zum Verständnis der Existenz von Materie sind.„Können wir die ganze Welt in einem Sandkorn sehen, wie William Blake es beschrieb, oder ist das nur eine poetische Aussage?“
AdS/CFT-Korrespondenz und die Praxis des holographischen Prinzips
Die AdS/CFT-Korrespondenz ist eine wichtige Illustration des holographischen Prinzips und stellt eine Verbindung zwischen dem Anti-de-Sitter-Raum und der konformen Feldtheorie her. Diese Korrespondenz bietet nicht nur eine Möglichkeit, Theorien zur Quantengravitation zu konsolidieren, sondern ermöglicht uns auch, stark gekoppelte Feldtheorien auf quantenfeldtheoretische Weise zu untersuchen. Gemäß dieser Entsprechung handelt es sich bei den Feldern in der Gravitationstheorie, wenn in der Quantenfeldtheorie starke Wechselwirkungen auftreten, um schwache Wechselwirkungen.
Dadurch können viele Probleme der Kernphysik und der Festkörperphysik in mathematisch besser handhabbare Probleme umgewandelt werden, was zu einem deutlichen Fortschritt in unserem Verständnis der Quantenwelt führt.
Experimenteller Test des holographischen Prinzips
Obwohl die theoretischen Grundlagen des holographischen Prinzips weitgehend anerkannt sind, ist die experimentelle Überprüfung noch immer mit Herausforderungen verbunden. Experimente mit kleinen Partikeln könnten neue Einblicke in das holographische Prinzip liefern, und Bekenstein hatte vorgeschlagen, es in Tischexperimenten zu testen. Es mangelt jedoch noch immer an allgemein akzeptierten experimentellen Daten zur Untermauerung dieser Theorien.
Kirk Hogan vom Fermi National Laboratory hat beispielsweise vorgeschlagen, dass Quantenfluktuationen in der räumlichen Position gemäß dem holografischen Prinzip zu messbarem „holografischem Rauschen“ führen sollten, das in Gravitationswellendetektoren beobachtet wird. Allerdings wurden diese Behauptungen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft bisher nicht allgemein anerkannt.
Während die Wissenschaftler die Quantengravitation und holographische Prinzipien weiter erforschen, erwarten sie noch mehr bahnbrechende Entdeckungen, die uns ein tieferes Verständnis der Funktionsweise des Universums ermöglichen werden.
Und gibt es hinter dieser komplizierten Theorie eine tiefere Wahrheit, die wir noch nicht verstanden haben?
