[Column] Gerard ’t Hooft en het Holografisch Principe

[Kappetijn]

Tijdens de kerstdagen heb ik mijzelf verwend met het bekijken van de DVD The Fabric of the Cosmos (2011). De vier uur durende serie is gebaseerd op het boek van de bekende natuurkundige en schrijver Brian Greene. Ik heb zitten kwijlen en smullen omdat ik nog nooit eerder zo’n dappere en goed geslaagde poging heb gezien de bestaande animatietechnieken en videotechnieken in te zetten om de bizarre natuurkundige theorieën over fenomenen als ruimtetijd, kwantummechanica, entropie en multiversa voor een breed publiek inzichtelijk maken. Alledaagse schijnbare zekerheden als de volgtijdelijkheid van verleden, heden en toekomst, het leeg zijn van de ruimte en het bestaan van maar één universum, worden vakkundig onderuit geschoffeld. Heel verwarrend, maar uitermate boeiend.

In de serie komen veel bekende wetenschappers aan het woord. Uiteraard is één van hen Leonard Susskind van Stanford University, die onder andere faam heeft gemaakt met de snaartheorie. Vorig jaar heb ik zijn boek The Black Hole War (2008) gelezen. Het boek heeft als ondertitel "My battle with Stephen Hawking to make the world safe for quantum mechanics" en gaat over het decennia durende meningsverschil tussen de beroemde Britse natuurkundige Stephen Hawking aan de ene kant en Leonard Susskind samen met de Nederlander Gerard ’t Hooft aan de andere kant. In 1980 heb ik als wetenschapsjournalist van Elseviers Weekblad Gerard ’t Hooft geïnterviewd over de toen sterke geruchten dat de unificatie van de vier fundamentele natuurkrachten nabij was. In 1999 ontvingen Gerard ’t Hooft en Martinus Veltman samen de Nobelprijs voor hun baanbrekende bijdrage aan ”het ophelderen van de kwantumstructuur van elektrozwakke interacties”. Tijdens het interview heb ik Gerard ’t Hooft leren kennen als een bijzonder aardige en vooral bescheiden man.

De twistappel van Hawking was de bewering dat de informatie over de materie en energie die in een zwart gat verdwijnt, nooit meer te achterhalen is. De zogenaamde informatieparadox. Deze opvatting wordt gedragen door de algemene relativiteitstheorie, maar is in strijd met het algemeen geldende principe dat informatie niet kan verdwijnen. Net zo min als materie en energie. In het universum geldt de wet van behoud van informatie. Susskind, ’t Hooft en andere natuurkundigen komen uiteindelijk met een oplossing die in 2004 ook voor Hawking acceptabel is. Een belangrijke rol in de oplossing van dit boeiende onderwerp op het terrein van de kwantumzwaartekracht, is weggelegd voor het holografisch principe dat door ’t Hooft is ontwikkeld. Het Holografisch Principe houdt in dat de hoeveelheid informatie over alles wat zich in een ruimte bevindt, niet groter kan zijn dan wat op de rand van die ruimte kan worden opgeslagen. De informatie ligt vast als bits die gelijk zijn aan tegeltjes (pixels) met een grootte van de Planck lengte, namelijk 1,6 maal 10 tot de macht -35 meter. De bolvormige omtrek (horizon) van bijvoorbeeld een zwart gat of het universum is in feite een tweedimensionale holografische afbeelding van alles wat zich binnen de driedimensionale ruimte bevindt. Dit is een zeer intrigerende en baanbrekende theorie die vergaande consequenties heeft en uiteraard leidt tot uitdagende fantasieën. Susskind schrijft over het Holografisch Principe: “Het schijnt dat de solide driedimensionale wereld een soort illusie is, de echte zaken gebeuren ver weg op de grenzen van de ruimte.” Het hologram van Gerard ’t Hooft is op verschillende manieren anders dan het hologram zoals wij dat kennen. In de eerste plaats is er natuurlijk het enorm grote verschil in fijnheid van de pixels en ten tweede verandert het hologram van ’t Hooft voortdurend. Het is een cinematografisch hologram.

De zwarte gatenoorlog is beëindigd dankzij het inzicht dat een waarnemer buiten het zwarte gat een andere werkelijkheid kent dan een waarnemer die achter de horizon van het zwarte gat verdwijnt. De horizon is de plaats waar de zwaartekracht zo groot is dat alles dat daar passeert niet meer terug kan, zelfs licht niet. Bij een zwart gat kan een gebeurtenis niet tegelijkertijd plaatsvinden vooren achter de horizon. Dezelfde gebeurtenis is voor de horizon of achter de horizon, afhankelijk van het experiment dat de waarnemer uitvoert. Dit is een toepassing van het zogenaamde complementariteitprincipe. Het complementariteitprincipe was ook op andere plaatsen in de natuurkunde de oplossing voor ogenschijnlijk onverklaarbare paradoxen. Het feit dat licht zich gedraagt als deeltje (foton) of als elektromagnetische golf, is daarvan een bekend voorbeeld. Of licht de eigenschappen heeft van een deeltje of een golf, hangt af van wat je wilt weten van het gedrag van licht. De waarnemer bepaalt.

In zijn boek The Black Hole War verhaalt Susskind over zijn milde, respectvolle maar soms ook frustrerende strijd met Hawking. Uit de titels met van emotie bezwangerde termen als ‘oorlog’ en ‘illusie van intelligent ontwerp’ kan je rustig afleiden dat Susskind weet hoe hij de ideeën kan populariseren of anders gezegd: zijn handel moet verkopen. Het valt op dat hij in zijn boek over de zwarte gatenoorlog Gerard ’t Hooft alle krediet geeft. Zo schrijft hij:“Among physicists, the name ’t Hooft is synonymous with scientific greatness, and in Holland – a country that, I suspect, has had more great physicists per capita than any other – he is a national treasure.”

Toch krijg je het gevoel dat Susskind er een beetje met de bal van ’t Hooft vandoor is gegaan. In 1993 schreef ’t Hooft het artikel Dimensional Reduction in Quantum Gravity. Na een theoretische en fors wiskundige afleiding stelt ’t Hooft dat men blijkbaar moet concluderen dat een tweedimensionaal bolvormig oppervlak in een driedimensionale ruimte alle informatie kan bevatten over de gehele driedimensionale ruimte. Slechts op één plek in het artikel maakt ’t Hooft de vergelijking met een hologram als hij schrijft: “We would like to advocate here a somewhat extreme point of view. (…) The situation can be compared with a hologram of a three dimensional image on a two-dimensional surface.”

Een paar maanden later schrijft Susskind, volledig geïnspireerd door ’t Hooft het artikel “The World as a Hologram.” In zijn boek The Black Hole War beschrijft Susskind zijn verbazing over de ongelukkige titel van ’t Hooft omdat – zoals hij zegt - “Dimensional Reduction” een term is uit de technische natuurkunde en een totaal andere betekenis heeft dan wat ’t Hooft bedoelde. Susskind: “I made sure that my paper would not suffer the same fate.”Dat is gelukt. Misschien is dat ook wel de reden waarom niet Gerard ’t Hooft, maar Leonard Susskind in The fabric of the Cosmos mag uitleggen wat het holografisch principe is.