Tänk om det finns en djupare verklighet där ute?

Tänk om vårt universum är en illusion?

Vad händer om vi lever i ett hologram?

Kö Twilight Zone musik.

Eller, alternativt, fråga docent i fysik Matthew Headrick om hans forskning. Headrick arbetar med en av de mest banbrytande teorierna inom teoretisk fysik – den holografiska principen. Det gäller att universum är en tredimensionell bild som projiceras från en tvådimensionell yta, ungefär som ett hologram framträder ur ett ark med fotografisk film.

"Från min synvinkel, upptäckten av holografisk intrassling och dess generaliseringar har varit en av de mest spännande utvecklingarna inom teoretisk fysik under detta århundrade hittills, ", sa Headrick. "Vilka andra nya koncept väntar på att upptäckas, och vilka andra oväntade kopplingar? Vi kan inte vänta med att få reda på det."

Sedan 2016, Headrick har tjänstgjort som biträdande chef för "It from Qubit:Quantum Fields, Gravity and Information"-projektet, en internationell ansträngning av 18 forskare och deras labb för att avgöra om den holografiska principen är korrekt. Det finansieras av en 4-årig, 10 miljoner dollar i anslag från New York-baserade Simons Foundation.

Om Headrick och hans kollegor kan bevisa den holografiska principen, de kommer att ha tagit ett stort steg mot att uppnå den heliga gralen i teoretisk fysik, en storslagen enhetlig teori som kan förklara alla lagar och principer som styr verkligheten. "Vi är inte där än, " sa Headrick, "men vi gör framsteg."

Låt oss bryta ner den holografiska principen steg för steg:

Information

Vi börjar smått, väldigt liten. Det har länge ansetts att universum på sin mest grundläggande nivå består av subatomära partiklar som elektroner eller kvarkar. Men nu tror fysiker att dessa partiklar består av något ännu mindre - information.

När fysiker pratar om information, de menar data som beskriver fysiska fenomen. Massan av ett föremål, rotationsriktningen för en elektron, och e=mc^2 är alla informationsenheter.

Om du samlade all information som finns där ute, du skulle ha den kompletta instruktionsboken för att bygga allt i vårt universum.

Qubits

Universums minsta nivåer styrs av kvantmekanikens lagar. Här börjar saker och ting bli väldigt konstiga och kontraintuitiva.

Informationsenheter inom kvantmekanikens område kallas qubits.

Headrick studerar kvantintrasslingen av qubits, ett mycket märkligt fenomen som är unikt för kvantmekanikens område.

Anta att du har två qubits vars värden kan vara antingen 1 eller 0. När qubitarna är intrasslade, deras värderingar blir korrelerade. När du mäter den första qubiten, dess värde kan visa sig vara 0. Kontrollera den andra qubiten, dess värde kan vara 0, för. Men vad händer om den första qubiten har värdet 1? Den andra qubitens värde kan också ändras till 1.

Det är som om qubitarna kommunicerar med varandra, med den första som berättar för den andra, "Hallå, Den här fysikern här borta fick precis reda på att jag är en 1. Du borde vara en 1, också." Otroligt och bisarrt, denna kommunikation kan ske över stora avstånd med meddelanden som till synes vidarebefordras snabbare än ljusets hastighet.

Qubits är platta

I de flesta fallen, när du tappar ett föremål i en burk – vi använder en geléböna – kommer det att ramla in och ta plats. Lägg i en annan geléböna, mängden ofyllt utrymme krymper och volymen på gelébönorna ökar.

Det fungerar inte så här med qubits. Qubits faller inte ner i burken utan breder ut sig på en yta. Lägg till en qubit, det kommer att fästa vid sidan av burken. Lägg till ytterligare en qubit, det kommer att göra detsamma. Att öka antalet qubits ökar inte volymen. Istället, det ökar ytan som qubitarna tar upp.

Fler och fler qubits sprider sig över en plan yta - så här får du det tvådimensionella planet som beskrivs av den holografiska principen.

Så hur får man tre dimensioner?

När du väl flyttar bortom den lilla sfären, kvantmekanikens lagar fungerar inte längre. Hur konstigt det än låter, på makrokosmisk nivå, du behöver en annan uppsättning fysiklagar för att förklara vad som händer.

Gå in i Einsteins relativitetsteori. För att beräkna kosmiska händelser som vägen följt av ljus eller Merkurius omloppsbana runt solen, du behöver relativitetsteorin.

Relativitetens byggstenar är också informationsenheter. Nu dock, de kallas bitar.

Och bitar beter sig på ett sätt som är mycket mer bekant för oss. De finns i tre dimensioner.

Så hur får man ett hologram?

Låt oss gå tillbaka till den där tvådimensionella ytan täckt med intrasslade qubits. Eftersom värdet på en qubit ändras beroende på värdet på dess intrasslade par, det finns en viss grad av obestämdhet inbyggd i systemet. Om du ännu inte har mätt den första qubiten, du kan inte vara säker på den andra. Mängden osäkerhet i ett givet system kallas dess entropi.

När qubits blir intrasslade och lossnade, nivån av entropi stiger och sjunker. Du hamnar i fält av entropi i ett ständigt föränderligt tillstånd.

Den holografiska principen hävdar att vår tredimensionella värld är en representation eller projektion av all denna aktivitet som äger rum på en tvådimensionell yta full av qubits.

Få alltid att falla på plats

Det har alltid stört fysiker att det finns en uppsättning regler för det mikrokosmiska, kvantmekanik, och en annan för det makrokosmiska, relativitetsteorin. Det är inte vettigt att det ska finnas två olika och oförenliga grupper av matematiska formler som fungerar i vårt universum. Fysiker antar att det måste finnas något sätt att bringa dem i harmoni.

Så däri ligger den centrala frågan för Headrick och hans kollegor:Att börja i den tvådimensionella sfären av qubits och kvantmekanik och sedan skala upp i storlek, hur exakt avslutar vi med bitar och relativitet? Det handlar om att konstruera en enda matematisk modell som förklarar transformationen.

Ta reda på det så har du löst ett av de största mysterierna inom teoretisk fysik. Från det minsta till det största fenomenet, vi kommer att ha en enhetlig teori om verkligheten.

Just nu förblir den holografiska principen en obevisad teori. Vart det leder härnäst är en öppen fråga. Oddsen är dock, det kommer att vara konstigare än någonting man hittills föreställt sig inom science fiction.