Leben in einem Hologramm

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Dan Harlow verbringt viel Zeit damit, in einem „Bumerang“-Universum zu denken.

Der MIT-Physiker sucht nach Antworten auf eine der größten Fragen der modernen Physik: Wie kann sich unser Universum an zwei inkompatible Regelwerke halten?

Das erste – das Standardmodell der Physik – ist die quantenmechanische Theorie von Teilchen, Feldern und Kräften und die Art und Weise, wie sie interagieren, um das Universum, in dem wir leben, aufzubauen. Das zweite – Einsteins Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie – beschreibt den Einfluss von Schwerkraft und wie die Grundkraft Materie zusammenzieht, um Planeten, Galaxien und andere massive Objekte zu bilden.

Beide Theorien schneiden in ihren jeweiligen Bereichen bemerkenswert gut ab. Allerdings scheitert Einsteins Theorie, wenn sie versucht zu beschreiben, wie die Schwerkraft auf Quantenskalen funktioniert, während die Quantenmechanik bei der Anwendung in massiven, kosmischen Dimensionen realitätsverändernde Vorhersagen macht. Seit über einem Jahrhundert suchen Physiker nach Möglichkeiten, die beiden Theorien zu vereinen und herauszufinden, was unser Universum antreibt.

Harlow vermutet, dass jeder Verbindungsfaden in unserem bestehenden Universum zu heikel sein könnte, um ihn zu erfassen. Stattdessen sucht er nach Antworten in einer „Bumerang“-Version – einer alternativen Realität, die sich in sich selbst zusammenfaltet, ähnlich wie die Flugbahn eines Bumerangs, anstatt sich endlos auszudehnen und auszudehnen, wie es unser eigentliches Universum tut. Die Quantengravitation in diesem Bumerang-Universum ist leichter zu verstehen, da sie im Sinne der konventionellen Quantentheorie (ohne Schwerkraft) mithilfe einer leistungsstarken Idee namens holographischer Dualität umformuliert werden kann. Dies macht es viel einfacher, darüber nachzudenken, zumindest aus theoretischer Sicht.

In dieser Bumerang-Umgebung hat Harlow einige aufregende, unerwartete Enthüllungen gemacht. Er hat zum Beispiel gezeigt, dass die Gleichungen, die beschreiben, wie sich die Schwerkraft in diesem „Spielzeug“-Universum verhält, genau dieselben Gleichungen sind, die die Quantenfehlerkorrekturcodes steuern, die hoffentlich bald zum Bau realer Quantencomputer verwendet werden. Dass die Mathematik zur Beschreibung der Schwerkraft etwas mit dem Schutz von Informationen in Quantencomputern zu tun haben sollte, war an sich schon eine Überraschung. Die Tatsache, dass beide Phänomene zumindest in diesem alternativen Universum dieselbe Physik hatten, deutet auf einen möglichen Zusammenhang zwischen Einsteins Theorie und der Quantenmechanik im realen Universum hin.

Die Entdeckung, die Harlow 2014 als Postdoktorand an der Princeton University machte, löste neue Forschungsrichtungen in der Erforschung der Quantengravitation und der Quanteninformationstheorie aus. Seit Harlow 2017 dem MIT und dem Center for Theoretical Physics beigetreten ist, hat er seine Suche nach grundlegenden Zusammenhängen zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik und der Frage, wie sie sich im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern und der Kosmologie überschneiden könnten, fortgesetzt.

„Eines der Dinge, die Spaß gemacht haben, ist, dass viele der Ideen die gleichen sind, obwohl wir in der Physik und allgemein in den Naturwissenschaften alle unterschiedliche Systeme und Experimente studieren“, sagt Harlow, ein außerordentlicher Professor, der 2022 eine Festanstellung erhält. „Also versuche ich, einen offenen Geist zu haben, meine Ohren offen zu halten und herauszufinden, wie die Dinge zusammenhängen könnten.“

„Eine humanistische Philosophie“

Harlow wurde in Cincinnati geboren und zog als Kind mit seiner Familie nach Boston, wo er mehrere Jahre verbrachte, bevor die Familie erneut umzog und in Chicago Wurzeln schlug. Mit 10 Jahren nahm er Klavierunterricht und konzentrierte sich zunächst auf klassische Musik, dann auf Rock. In der Mittelstufe spielte er Keyboard in verschiedenen Bands, bevor er seinen Groove im lockereren, improvisatorischeren Stil des Jazz fand.

„Ich liebe es, mich hinzusetzen, mit Menschen zu spielen und zu sehen, wohin sich die Dinge entwickeln“, sagt Harlow.

Seine Liebe zum Jazz war zum Teil der Grund, warum er nach der High School nach New York City zog, wo er die Columbia University besuchte, die zufällig in der Nähe einiger der besten Jazzclubs der Stadt lag. Auch der Kernlehrplan der Universität, der von den Studenten die Lektüre klassischer Werke der Literatur und Philosophie verlangte, gefiel.

„Man kann keinen Abschluss an der Columbia machen, ohne „Die Ilias“ gelesen zu haben“, sagt Harlow. „Das gibt einem eine gemeinsame Gemeinschaft von Dingen, über die man reden kann.“ Mir gefiel die humanistische Philosophie, die den Ort prägt. Selbst wenn ich mich dafür entscheiden würde, Physiker zu werden, hätte ich immer noch diese umfassendere kulturelle Erfahrung.“

Harlow arbeitete drei Jahre lang als wissenschaftlicher Mitarbeiter in einem experimentellen Kosmologielabor auf dem Campus, wo er lernte, in einem Reinraum zu arbeiten und Simulationen durchzuführen, um die Leistung von Filtern zu verbessern, die darauf ausgelegt sind, subtile Spuren von Strahlung herauszufiltern, die von der Strahlung zurückgeblieben sind Urknall.

Harlow schätzte besonders den allgemeinen Ansatz der Leiterin des Labors, Amber Miller, die damals Junior-Fakultätsmitglied war.

„Sie hatte diese großartige Art, ihre Gruppe zu leiten, wobei sie sich nicht so auf Veröffentlichungen oder die schnelle Erledigung von Dingen konzentrierte“, erinnert sich Harlow. „Sie hat uns einfach herumspielen lassen.“

Offene Fragen

Diese geistige Freiheit, neue Ideen auszuprobieren, blieb Harlow während seiner gesamten Karriere erhalten. Von Columbia ging er 2006 nach Westen an die Stanford University. In der Physikabteilung fand er heraus, dass er sich am natürlichsten mit Professor Leonard Susskind, einem theoretischen Physiker und führenden Forscher der Stringtheorie, identifizieren konnte.

„Sein starker Wunsch, die unwichtigen Dinge zu identifizieren und beiseite zu legen, damit man sich auf das Wesentliche des Problems konzentrieren kann – das war auch die Art und Weise, wie ich zu denken versuche“, sagt Harlow, der sich schließlich für Susskind als seinen Berater entschieden hat . „Lenny sagte: ‚Arbeite an dem, was du willst, und ich rede mit dir darüber.‘“

Mit dieser offenen Einladung verfolgte Harlow die Gespräche innerhalb von Susskinds Gruppe, um ein Gefühl für die großen Fragen auf diesem Gebiet zu bekommen. Was er hörte, war ein Problem, das den Rest seiner Forschungskarriere prägen sollte: die Frage, wie man die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie im Kontext der Kosmologie und dem Verständnis der Wissenschaftler über die großräumige Struktur und Entwicklung des Universums verbinden kann.

Auf der Suche nach einer Antwort las Harlow alles, was er zu beiden Theorien finden konnte. Seine Lektüre floss auch in die Quanteninformationswissenschaft ein – vor allem ein Gebiet, das sich auf die Anwendung von Prinzipien der Quantenmechanik und Informationstheorie auf das Studium und die Entwicklung von Quantencomputern konzentriert.

„Immer wenn ich den Hinweis bekomme, dass ein Tool für ein Problem, das ich zu lösen versuche, wichtig sein wird, lerne ich viel mehr darüber, als ich zu brauchen glaube“, sagt Harlow. „In den meisten Fällen zahlt sich diese Investition aus.“

Am Ende seiner Zeit in Stanford beschloss Harlow, „eine harte Wendung zu nehmen“ und wechselte von der Kosmologie zu Schwarzen Löchern, die er für ein einfacher zu untersuchendes System hielt, um grundlegende Zusammenhänge zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie zu untersuchen.

Im Jahr 2012 ging er für einen dreijährigen Postdoc zurück nach Princeton, wo er begann, das Quantenverhalten gravitativer Schwarzer Löcher zu erforschen. Um das Problem zu vereinfachen, tat er dies in einem „Bumerang“-Universum – was Physiker als „Anti-de-Sitter-Raum“ kennen, benannt nach dem Physiker, der die Krümmung des Universums untersuchte. Als Harlow mehr über Quanteninformationen las, bemerkte und bestätigte er schließlich eine unerwartete Überschneidung in der Physik der Schwerkraft um Schwarze Löcher und den Quantenfehlerkorrekturcodes zum Schutz von Informationen.

„Das war eine sehr erforschende und transformative Zeit“, sagt Harlow. „Ich erkunde immer noch viele der Wege, die ich dort begonnen habe.“

Nach einem zweiten Postdoc an der Harvard University kam Harlow 2017 als Junior-Fakultätsmitglied zum MIT, wo er weiterhin überraschende Verbindungen in der Erforschung der Quantengravitation und der Quanteninformationswissenschaft knüpft. Am Institut und auf dem Gebiet der theoretischen Physik im weiteren Sinne genoss er eine kollegiale, produktive Missachtung von Autoritäten.

„Dies ist eine Community, in der ich zu den berühmtesten theoretischen Physikern der Welt gehen und ihnen sagen kann, dass sie Unrecht haben, und wenn ich einen Streit habe, werden sie mir zuhören“, sagt Harlow. „Die Leute sind offen. Es besteht die gemeinsame Kerneinigkeit, dass es darauf ankommt, dass wir die richtige Antwort finden. Es kommt weniger darauf an, wer sie findet.“

Zu Harlows Errungenschaften seit seiner Ankunft am MIT gehören der Beweis, dass es starke Einschränkungen hinsichtlich der möglichen Symmetrien der Quantengravitation gibt, ein tieferes Verständnis der Natur der Energie in Gravitationssystemen und ein konkreter mathematischer Rahmen zum Verständnis des Inneren quantenmechanischer Schwarzer Löcher.

Über die Forschung hinaus arbeitet Harlow daran, vielfältigere Stimmen und Perspektiven in den Bereich der Physik einzubringen. Zusätzlich zu seiner Mentoring- und Interessenvertretungsarbeit außerhalb des MIT leitet er ein Programm innerhalb der Physikabteilung, das jeden Sommer Studenten aus unterrepräsentierten und benachteiligten Verhältnissen einlädt, am MIT Physikforschung zu betreiben.

„Leider bleibt die Physik immer noch eher weiß und männlich, und es ist eine meiner Prioritäten für die Zukunft, sie für einen breiteren Teil der Menschheit einladender und zugänglicher zu machen“, sagt er.

Mit Blick auf die Zukunft erwägt Harlow, einen neuen Weg in seiner Forschung einzuschlagen, vielleicht um sich weniger auf Schwarze Löcher in einem Hologramm-Universum zu konzentrieren und sich mehr auf die Kosmologie sowie die Quantenstruktur und -entwicklung unseres tatsächlichen Universums zu konzentrieren.

„Ich lebe schon lange im Anti-de-Sitter-Raum“, sagt Harlow. „Das ist in Ordnung, aber ich möchte auch die Welt verstehen, in der wir leben. Und das sollte Spaß machen.“

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