De zoektocht naar de broncode van het universum

Pasterski is een hoogenergetisch theoreticus aan het Perimeter Institute for Theoretical Physics, en ze is een van de weinige mensen op de planeet die in staat is om door het wiskundige mijnenveld te navigeren dat bekendstaat als kwantumgravitatie. Haar doel is wat zij de “broncode van het universum” noemt. Het is de ultieme zoektocht naar een hoofdbestand: een enkele, consistente set regels die verklaart waarom de sterren in hun sterrenstelsels blijven terwijl subatomaire deeltjes zich als cafeïneverslaafde geesten gedragen. Momenteel zijn onze beste beschrijvingen van de werkelijkheid geschreven in twee verschillende, onverenigbare talen, en natuurkundigen beginnen te vermoeden dat de enige manier om ze te verzoenen is door toe te geven dat de driedimensionale wereld waarin we leven in feite een geavanceerde projectie is.

Dit is geen complottheorie over het leven in een computersimulatie, hoewel de terminologie vaak overlap vertoont. In plaats daarvan is het een rigoureuze wiskundige poging om een paradox op te lossen die de knapste koppen in de wetenschap al een eeuw lang in verlegenheid brengt. Algemene relativiteitstheorie, Einsteins meesterwerk, verklaart zwaartekracht en de grote dingen—planeten, zwarte gaten en de uitdijing van de kosmos. Kwantummechanica verklaart de kleine dingen—elektronen, fotonen en de vreemdheid van het subatomaire domein. Het probleem is dat wanneer je probeert beide tegelijk te gebruiken, de wiskunde vastloopt. Het is alsof je probeert een PlayStation 5-game te spelen op een rekenmachine uit de jaren tachtig. Het besturingssysteem van het universum crasht aan de randen en theoretici zijn op zoek naar de patch.

De glitch in de zwaartekrachtmachine

De natuurkunde is momenteel vergeven van tegenstrijdigheden die suggereren dat ons begrip van ruimte en tijd slechts een ruwe benadering is van iets diepers. Een van de beroemdste “bugs” in het systeem is de informatieparadox van zwarte gaten. Volgens de algemene relativiteitstheorie is alles wat in een zwart gat valt voor eeuwig verdwenen, verpletterd tot een singulariteit. Maar volgens de kwantummechanica kan informatie nooit echt worden vernietigd. Als je een boek in een zwart gat gooit, zou de informatie die besloten ligt in de rangschikking van de atomen in theorie behouden moeten blijven. Wanneer een zwart gat uiteindelijk verdampt via Hawkingstraling, lijkt die informatie te verdwijnen. Dit is een catastrofale fout in de logica van het universum.

Pasterski en haar collega's werken aan een raamwerk genaamd hemelse holografie (celestial holography) om dit te herstellen. Het idee is gebaseerd op het “holografisch principe”, dat suggereert dat alle informatie binnen een volume aan ruimte kan worden beschreven door de gegevens op de grens van die ruimte. Stel je een soepblik voor. Alle informatie over de soep—de temperatuur, het aantal wortels, het zoutgehalte—zou in theorie op het tweedimensionale etiket rond de buitenkant kunnen worden geschreven. In deze visie is onze 3D-werkelijkheid slechts de “bulk”, terwijl de echte “code” is geschreven op een 2D-oppervlak aan de uiterste rand van het universum.

Waarom de Holometer faalde om de pixels van de ruimte te vinden

Als het universum een projectie is, dan zou de ruimte zelf een resolutie moeten hebben. Net zoals een digitale foto een raster van pixels wordt als je ver genoeg inzoomt, geloven veel theoretici dat ruimtetijd niet glad is, maar “brokkelig”. Op de Planck-schaal—de kleinst mogelijke afstand, ruwweg 10 tot de macht min 35 meter—zou het weefsel van de werkelijkheid korrelig moeten worden. In 2015 probeerden onderzoekers bij Fermilab deze korreligheid te vinden met behulp van een apparaat genaamd de Holometer. Het was een paar massieve laserinterferometers ontworpen om “holografische ruis” te detecteren, een lichte trilling in het universum die zou bewijzen dat we in een projectie met lage resolutie leven.

Het experiment mislukte. De lasers bleven stabiel en er werd geen holografische ruis gedetecteerd op de gevoeligheidsniveaus die ze testten. Voor velen was dit een klap voor het idee dat we in een letterlijk hologram leven. Maar voor theoretici als Pasterski was het resultaat geen doodlopend spoor—het was een verfijning. Het suggereerde dat de “broncode” niet zo simpel is als een gepixeld scherm. Het verband tussen de 2D-grens en de 3D-bulk is subtieler. Het gebrek aan bewijs voor een trillend universum weerlegde het holografisch principe niet; het bewees alleen dat het universum niet “glitcht” op de specifieke manier die Craig Hogan en zijn team bij Fermilab verwachtten.

Dit is de iteratieve aard van de jacht. Je bouwt een machine om een specifieke fout te vinden, je vindt hem niet, en je gaat terug naar het whiteboard om uit te zoeken waarom de code beter verborgen is dan je dacht. De spanning blijft bestaan omdat de wiskunde nog steeds om een unificatie vraagt. We weten bijvoorbeeld dat donkere materie bestaat omdat we de zwaartekracht ervan aan sterrenstelsels zien trekken, maar we hebben de “code” voor het deeltje zelf nooit gezien. We kijken naar de effecten van een softwareprogramma terwijl we niet in staat zijn de tekstregels te zien die het laten draaien.

Het universum strippen tot de fundamenten

Wanneer Pasterski over haar werk spreekt, noemt ze het vaak een “existentiële puzzel”. Er zit een zekere ironie in het feit dat je om de uitgestrektheid van de kosmos te begrijpen, je leven moet doorbrengen met staren naar een stuk papier vol Griekse symbolen en lijnintegralen. Maar dit is de enige manier om omgevingen te onderzoeken waar geen mens of sonde ooit zal komen. We kunnen niet naar de rand van het universum gaan en we kunnen de reis binnen een zwart gat niet overleven, maar we kunnen wel wiskundige modellen bouwen die die extremen met angstaanjagende nauwkeurigheid weergeven.

Deze benadering vereist een niveau van focus dat grenst aan het meditatieve. Pasterski vertelt over het komen in een mindset waarin de vergelijkingen van een vereenvoudigd, vierdimensionaal universum—drie van ruimte, één van tijd—urenlang doorstromen totdat de tijd zelf lijkt te verdwijnen. Het is een proces van het strippen van de “gebruikersinterface” van de werkelijkheid—de bomen, de mensen, het licht—om de ruwe variabelen eronder te vinden. Als we de broncode kunnen vinden, begrijpen we niet alleen hoe het universum begon; we begrijpen misschien waar het op het meest fundamentele niveau werkelijk uit is opgebouwd.

Er is ook de vraag wat er gebeurt als we daadwerkelijk slagen. Door de geschiedenis heen hebben we elke keer dat we een nieuwe laag van de code ontdekten, een nieuwe wereld gebouwd. Het begrijpen van de thermodynamische wetten gaf ons de stoommachine. Het begrijpen van het elektron gaf ons de computer. Als we de code van zwaartekracht en kwantummechanica begrijpen, zouden de technische toepassingen verder kunnen gaan dan alles wat we in sciencefiction zien. We hebben het niet alleen over betere raketten; we hebben het over het vermogen om het weefsel van de ruimtetijd zelf te manipuleren.

De last van de erfenis

De zoektocht naar een “Theorie van Alles” heeft de gewoonte om de levens van de meest briljante mensen ter wereld op te vreten. Einstein bracht de laatste drie decennia van zijn leven door met het proberen te vinden van een verenigde veldentheorie en faalde. Stephen Hawking, die Pasterski ooit beroemd ontmoette en zich bij hem voegde in een conga-lijn tijdens een Harvard-evenement, bracht zijn carrière door met het najagen van dezelfde geest. Er rust een gewicht op deze erfenis dat verpletterend kan zijn, maar Pasterski lijkt het met dezelfde pragmatische nieuwsgierigheid te bekijken die ze toepaste op haar Cessna. Het is gewoon weer een moeilijk probleem dat opgelost moet worden.

De gemeenschap is zeer collaboratief, ook al is ze klein. Omdat de wiskunde zo dicht is, vindt vooruitgang in kleine stappen plaats. De ene onderzoeker vindt een manier om een specifiek type deeltjesinteractie op een 2D-vlak te beschrijven; de andere zoekt uit hoe dat kan worden gekoppeld aan een 3D-zwaartekrachtveld. Langzaam begint het beeld zich te vormen. Ze zijn als ontwikkelaars die werken aan een massaal open-sourceproject dat al miljarden jaren draait, in een poging om de bedoeling van de oorspronkelijke programmeur te reverse-engineeren.