NieuwsZwarte gaten

Nieuw bewijs dat bits de bouwsteen van alles zijn

Zwarte gaten zijn een soort hologrammen. Met dat inzicht hopen fysici antwoord te geven op de diepste vraag die je over onze werkelijkheid kunt stellen: de vraag waaruit alles eigenlijk bestaat.

Computertekening van een zwart gat.Beeld NASA/JPL-Caltech

Terwijl een hologram oogt alsof je het kunt vastpakken, ontstaat het in werkelijkheid door een vernuftig samenspel van licht dat schijnt op een plat vlak. Met andere woorden: hologrammen zien er driedimensionaal uit maar zijn eigenlijk tweedimensionaal. Net zoiets gaat op voor zwarte gaten, de allesverslindende kosmische monsters die zo zwaar zijn dat niets – zelfs het licht niet – aan hun zwaartekracht kan ontsnappen. Dat schrijft een groep theoretisch natuurkundigen in het vakblad Physical Review X

Hoewel zwarte gaten eruit zien als een bol, kun je – net als bij een hologram – hun eigenschappen beschrijven door te kijken naar iets met een dimensie minder, in dit geval het oppervlak. Dat idee staat in de natuurkunde al langer bekend als het ‘holografisch principe’ en voert terug op theorieën van beroemde fysici als Stephen Hawking en de Nederlandse Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft. In Physical Review X leveren de onderzoekers nu het wiskundig bewijs dat dat principe inderdaad opgaat.

Rekenen met het oppervlak

Daarbij bekeken ze of je een belangrijke eigenschap – het aantal manieren waarop je een zwart gat kunt opbouwen – inderdaad kunt bepalen op basis van alleen het oppervlak. ‘De onderzoekers laten zien dat dat mogelijk is voor een brede klasse zwarte gaten’, zegt mathematisch natuurkundige Marcel Vonk van de Universiteit van Amsterdam. ‘Dat is in dit vakgebied een belangrijke stap voorwaarts.’

Vooruitlopend op de officiële publicatie, plaatsten de onderzoekers hun resultaat als voorpublicatie op internet, zodat vakgenoten er alvast mee aan de haal konden gaan. ‘Het resultaat is sindsdien tientallen keren door vakgenoten gebruikt in vervolgonderzoek’, zegt Vonk.

Overigens betekent de uitkomst niet dat zwarte gaten letterlijk hetzelfde zijn als hologrammen. Waar je bijvoorbeeld gerust je hand door een hologram kunt vegen, is het voorlopig niet aan te raden je hand in een zwart gat te steken. Wel is de overeenkomst meer dan alleen een wiskundig trucje, zegt Vonk. ‘Het lijkt er echt op dat de informatie – bits, nullen en enen – van een zwart gat alleen van het oppervlak afhangt, niet van het binnenste.’

Dat is van belang omdat bits een belangrijke kandidaat zijn voor de ultieme bouwsteen van de werkelijkheid. De afgelopen decennia plukten fysici onze realiteit laag voor laag uiteen, als een soort kosmische matroesjka-pop. Waar eerst deeltjes – atomen, protonen, quarks – de kleinste bouwsteentjes leken, is men nu via een aantal tussenstappen bij bits terecht gekomen. De centrale rol die ze lijken te spelen in zwarte gaten, is een belangrijk argument voor het trekken van die conclusie.

Informatiedichtheid

‘Als je een computer hebt en je stopt daar steeds meer bits in, dan zit die op een gegeven moment vol’, zegt Vonk. Niet door een technische beperking, maar vanwege een fundamentele eigenschap van de natuur. Stop er dan nog één extra bit informatie in, en de boel stort direct ineen tot een zwart gat. Met andere woorden: zwarte gaten hebben de hoogst mogelijke informatiedichtheid die moeder natuur toelaat. Ze bevatten de absolute maximale hoeveelheid informatie die je in een volume kunt proppen. 

Wie vervolgens tóch meer informatie in zo’n zwart gat gooit, zorgt ervoor dat deze groter groeit. ‘En dat blijkt te vergroten met het oppervlak, niet met het volume’, zegt Vonk. ‘Opnieuw een teken dat zwarte gaten zich dus echt gedragen als hologrammen.’

Meer zwarte gaten

Quarksoep, wormholes en de diepste aard van de werkelijkheid: een spoedcursus zwarte gaten. Vergeet vulkanen, tsunami’s en tornado’s: zwarte gaten zijn pas echt de extreemste natuurfenomenen van het heelal. En wetenschappers staan eindelijk op het punt te onthullen hoe ze werken.

Hoe fotografeer je iets wat zelfs het licht verzwelgt? De eerste foto van een zwart gat is een mijlpaal in de fysica en een overwinning van het menselijk vernuft. Toch was de foto door wederzijds wantrouwen en politieke strubbelingen bijna niet genomen.

Astronomen maken eerste foto van een zwart gat. Een iconisch moment in de sterrenkunde. Het beeld onthult voorzichtige nieuwe inzichten over de manier waarop de werkelijkheid in elkaar steekt.

Het zwarte gat in het centrum van de Melkweg schijnt plotseling veel helderder. Het werd in een tijdsbestek van twee uur plotsklaps 75 keer zo helder. Nooit eerder was het gat zó fel. Sterrenkundigen staan voor een raadsel.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden