LAPP-Top van Universiteit Leiden

LAPP-Top van Universiteit Leiden

Dit artikel is geschreven in het kader van de Pre-University Classes, een programma waarin getalenteerde 5-vwo’ers colleges kunnen volgen aan de Universiteit Leiden. Als eindopdracht schreven de leerlingen een artikel voor NEMO Kennislink. Een jury van Kennislinkredacteuren heeft het artikel van Marieke van den Dungen aangewezen als het winnende artikel.

Zwarte gaten zijn de mysterieuze alleseters van het universum. Alles wat te dichtbij komt, verdwijnt voor eeuwig uit ons heelal. Of toch niet? Dat is een kwestie waarover wetenschappers zich lange tijd het hoofd hebben gebroken.

Het verloren gaan van informatie in een zwart gat, wat volgens de relativiteitstheorie eigenlijk zou moeten gebeuren, staat lijnrecht op een belangrijke wet van de quantumfysica. Volgens deze wet kan er in het heelal namelijk helemaal geen informatie verloren gaan. Informatie kan alleen op een nieuwe manier verdeeld worden. Deze tegenstelling noemen we de ‘informatieparadox’.

Hologram

Jacob Bekenstein en Stephen Hawking doorbraken deze paradox door aan te tonen dat de informatie van objecten die in een zwart gat belanden, inderdaad niet verloren gaat. Sterker nog, de hoeveelheid informatie bleek recht evenredig toe te nemen met de oppervlakte van het zwarte gat. Een zwart gat wordt namelijk groter als je er meer informatie in stopt. Het gevonden verband tussen de oppervlakte was alleen nogal vreemd. Als je bijvoorbeeld een boek twee keer zo groot maakt, levert dit twee keer zoveel fysieke informatie op. Oftewel, de hoeveelheid informatie zou recht evenredig moeten zijn met het volume, en niet met de oppervlakte.

Het oppervlak van een vorm ‘schaalt’ anders dan het volume. Als je een vorm twee keer zo groot maakt, wordt de oppervlakte vier keer zo groot, terwijl het volume acht keer toeneemt.

NEMO Kennislink

De verklaring voor Hawkings interessante verband was de volgende: de informatie wordt niet opgeslagen binnenin het zwarte gat, maar op de buitenkant. De buitenkant van een zwart gat is dus eigenlijk een grote ronde foto van alles wat er ooit in terechtgekomen is: elke deeltje verandert in een klein hologram.

Meeste efficiëntie

Nu weten we dus dat zwarte gaten informatie opslaan op hun grens met de buitenwereld. We weten ook dat de oppervlakte ervan toeneemt naarmate er meer informatie in terechtgekomen is. Uit deze twee feiten kan je een belangrijke conclusie trekken. Want er is limiet aan hoeveel informatie je in een bepaalde ruimte kan stoppen. Informatie gaat gepaard met massa (denk bijvoorbeeld aan een usb-stick) en als een object teveel massa heeft, stort het ineen door zijn eigen zwaartekracht. Zo kun je het ontstaan van een zwart gat zien. Als je nóg meer informatie in dat zwarte gat propt, wordt de oppervlakte ervan groter omdat er anders simpelweg niks meer bij past. Conclusie: zwarte gaten zijn de meest efficiënte databases in het hele heelal.

Holografisch heelal

Maar als zwarte gaten informatie opslaan op de meest efficiënte manier, waarom zou ons volledige heelal dit zelf ook niet doen? In andere woorden: is de kosmos waarin we leven eigenlijk een immens hologram? Dit inzicht van de Nederlandse natuurkundige Gerard ’t Hoofd heeft veel wetenschappers aan het denken gezet. Uit onderzoeken is namelijk gebleken dat holografische rekenmodellen van het heelal resultaten opleveren die goed aansluiten op de werkelijkheid. Ook zou de theorie een manier kunnen zijn om de kwantumfysica en de zwaartekrachtsfysica met elkaar te combineren, wat wordt gezien als een van de grootste uitdagingen van de wetenschap van nu.

Artistieke conceptuele weergave van een holografisch universum.

Niayesh Afshordi