Il principio olografico dell'Universo

Secondo l’ipotesi olografica tutto ciò che esiste in tre dimensioni, ossia l'Universo, potrebbe in realtà essere codificato su una superficie bidimensionale ai confini dell’universo stesso.

In pratica, è come se il nostro universo fosse una gigantesca immagine 2D, ma con l’illusione perfetta della profondità.

Nella teoria olografica, le leggi della fisica che conosciamo (gravità, spazio, tempo) sarebbero semplici “proiezioni” di uno schema bidimensionale sottostante.

Come è nata questa teoria?

Questa strana teoria è nata studiando i buchi neri: Stephen Hawking e altri scoprirono che l’informazione contenuta in un buco nero sembra dipendere dall’area della sua superficie (l’orizzonte degli eventi), non dal suo volume.

Perché l'informazione si trova all'orizzonte degli eventi? L’orizzonte degli eventi è la frontiera oltre la quale nulla può più tornare indietro. Stephen Hawking e Jacob Bekenstein hanno scoperto che un buco nero ha un’entropia proporzionale non al suo volume, ma alla superficie dell’orizzonte degli eventi (l’area, in pratica). $$ S = \frac{k c^3 A}{4 G \hbar} $$ Dove $S$ è l’entropia, $A$ l’area dell’orizzonte, e gli altri simboli sono costanti fisiche varie. Che c’entra l’entropia? In fisica, entropia è la quantità di informazione necessaria per descrivere completamente lo stato microscopico di un sistema. Quindi, più entropia significa più informazione. Se l’entropia di un buco nero cresce con l’area, significa che tutta l’informazione su ciò che è caduto dentro può essere “scritta” sulla superficie dell’orizzonte degli eventi, non dentro il volume del buco nero. Dove per informazione si intende tutte le caratteristiche quantistiche degli oggetti caduti dentro. Che massa avevano le particelle, carica, spin, configurazioni quantiche… ecc. Stephen Hawking ha calcolato che i buchi neri emettono radiazione (radiazione di Hawking) e possono evaporare. Il guaio è che questa radiazione sembrerebbe casuale e non portare fuori l’informazione su ciò che è caduto dentro (cd "Paradosso dell’informazione"). Quindi, o l'informazione sparisce (violando le leggi della meccanica quantistica secondo cui l'informazione non dovrebbe mai distruggersi), oppure è codificata nell’orizzonte degli eventi. La seconda ipotesi è quella più in voga. Quindi, l’unico posto dove l’universo può “salvare” quelle informazioni, senza romperne le leggi di conservazione dell'informazione, è proprio sulla superficie esterna del buco nero.

Prendendo spunto da questo, qualcuno (tipo ‘t Hooft, Susskind) ha pensato: E se fosse così per tutto l’universo? Se i buchi neri funzionano così, forse lo fa anche l’intero universo.

Da qui nasce l’ipotesi olografica. L’informazione su tutto l’universo potrebbe stare “sui bordi,” non nel volume.

Alcuni calcoli nella fisica teorica supportano questa possibilità in modelli matematici. Ad esempio, la corrispondenza AdS/CFT, che lega una teoria gravitazionale in uno spazio a curvatura negativa a una teoria quantistica senza gravità sul suo bordo.

Cos'è la corrispondenza Ads/CFT? La corrispondenza AdS/CFT è una delle idee più sorprendenti emerse dalla teoria delle stringhe. Fu proposta nel 1997 da Juan Maldacena. Il termine “AdS” sta per Anti-de Sitter space, uno spazio-tempo con curvatura negativa, come una sella. Il termine “CFT” significa Conformal Field Theory, una teoria quantistica di campi che resta invariata sotto trasformazioni di scala. Maldacena suggerì che una teoria della gravità che vive in uno spazio a cinque dimensioni AdS è equivalente, ossia matematicamente identica, a una teoria quantistica di campi senza gravità, che vive sul bordo di quello spazio, in quattro dimensioni. È come dire che ciò che accade nel “volume” dello spazio-tempo con gravità può essere descritto completamente da una teoria sui suoi confini, dove non c’è gravità. Questa dualità è il primo esempio concreto del principio olografico. Va detto che la corrispondenza AdS/CFT è un trionfo di eleganza matematica, ma la grande domanda è se possa descrivere il nostro universo, che in realtà sembra avere curvatura positiva (de Sitter) e non negativa. Pertanto, l’estensione del principio olografico a spazi come il nostro è ancora aperta.

Attualmente non esistono prove sperimentali per dire se la teoria del principio olografico sia vera o no per il nostro universo reale.

Se fosse vera, significherebbe che la “realtà” tridimensionale è solo un’illusione, un effetto ottico cosmico. Insomma, potremmo vivere tutti in un ologramma. 

Ma, come spesso accade in fisica teorica, ci sono molte idee brillanti e poche prove sperimentali. Quindi, il principio olografico resta una tra le tante ipotesi in attesa di conferma.

E così via.