我们生活在一个巨大的全息图中吗?

一些物理学家实际上相信我们生活的宇宙可能是一个全息图。

这个想法并不是说宇宙是《黑客帝国》中的某种虚假模拟,而是说尽管我们似乎生活在三维宇宙中,但宇宙实际上可能只有两个维度。这被称为全息原理

思路是这样的:某个遥远的二维表面包含完整描述我们世界所需的所有数据——就像全息图一样,这些数据被投射到三维空间中。就像电视屏幕上的人物一样,我们生活在一个看起来有深度的平面上。

这听起来可能有些荒谬。但当物理学家在计算中假设这是真的时,各种重大的物理问题(例如黑洞的性质以及引力和量子力学的协调)就变得容易解决得多。简而言之,物理定律在二维空间中比在三维空间中更有意义。

“大多数理论物理学家并不认为这只是一些荒诞的猜测,”几十年前首次正式定义这一想法的斯坦福物理学家伦纳德·萨斯坎德 (Leonard Susskind)说。“它已经成为解决物理问题的一种实用的日常工具。”

但这里有一个重要的区别。没有直接证据表明我们的宇宙实际上是一个二维全息图。这些计算与数学证明不同。相反,它们是关于我们的宇宙可能是全息图的有趣暗示。到目前为止,并非所有物理学家都相信我们有一个好的方法通过实验来测试这个想法。

宇宙可能是全息图的想法从何而来?

这个想法最初源自一对有关黑洞的悖论。

1)黑洞信息丢失问题

1974 年,斯蒂芬·霍金 (Stephen Hawking)发现 ,与人们长期以来的认识相反,黑洞实际上会随着时间的推移发出少量辐射。最终,随着这些能量从事件视界(黑洞的外缘)流失,黑洞应该会完全消失。

黑洞
黑洞逸出辐射的图示。
 传播科学

然而,这个想法引发了所谓的黑洞信息丢失问题。长期以来,人们一直认为物理信息是无法被毁灭的:所有粒子要么保持其原始形态,要么如果它们发生变化,这种变化会影响其他粒子,因此最终可以推断出第一组粒子的原始状态。

打个比方,想象一下一叠文件被送入碎纸机。即使它们被切成小块,纸片上的信息仍然存在。它被切成小块,但并没有消失,只要有足够的时间,文件就可以重新组装起来,这样你就会知道上面最初写的内容。从本质上讲,人们认为粒子也是如此。

但有一个问题:如果黑洞消失,那么被吸入黑洞的任何物体中的信息似乎也会消失。

20 世纪 90 年代中期,萨斯坎德和荷兰物理学家杰拉德·特·胡夫特提出了一种解决方案,即当物体被拉入黑洞时,它会在事件视界上留下某种编码的 2D 印记。之后,当辐射离开黑洞时,它会拾取这些数据的印记。这样一来,信息就不会被真正破坏。

他们的计算表明,仅在黑洞的二维表面上,就可以存储足够的信息来完整描述其中任何看似三维的物体。

萨斯坎德说:“我们两人分别思考的类比是全息图——一种二维胶片,可以对三维空间区域内的所有信息进行编码。”

熵问题:还有一个相关问题,即计算黑洞中的熵量——即其粒子之间的无序性和随机性。20 世纪 70 年代,雅各布·贝肯斯坦 (Jacob Bekenstein) 计算出它们的熵是有上限的,并且上限与黑洞事件视界的二维面积成正比。

参与研究全息原理的阿根廷物理学家胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena ) 表示:“对于普通物质系统,熵与体积成正比,而不是与面积成正比。”最终,他和其他人发现,这也指向一个观点:看似三维的物体——黑洞——可能最好只用二维来理解。

这个想法是如何从黑洞延伸到整个宇宙的?

这些都不能证明黑洞是全息图。但萨斯坎德说,物理学家们很早就认识到,将整个宇宙视为一个看起来只有三维的二维物体可能有助于解决理论物理学中一些更深层次的问题。而且,无论你谈论的是黑洞、行星还是整个宇宙,数学方法都同样适用。

1998 年,马尔达西那证明,一个假想的宇宙可能是全息图。他假想的宇宙位于所谓的反德西特空间中(简单来说,反德西特空间在很远的距离上呈弯曲形状,而我们的宇宙被认为是平坦的):

反坐空间
反德西特空间(左)向内弯曲。我们的宇宙(右)被认为是平坦的。
 物理工厂

更重要的是,通过从二维角度观察宇宙,他找到了一种方法,使日益流行的弦理论——一个广泛的框架,其中宇宙的基本组成部分是一维弦,而不是粒子——与已确立的粒子物理定律完全吻合。

更重要的是,通过这样做,他将物理学中两个极其重要但截然不同的概念统一在一个理论框架下。“全息原理将引力理论与粒子物理学理论联系起来,”马尔达西那说。

将这两个基本思想结合成一个统一的理论(通常称为量子引力)仍然是物理学的圣杯之一。因此,在这个假想的宇宙中,全息原理使这一切成为可能,这是一件大事。

当然,这一切 与说我们实际的宇宙(而不是这个奇怪的假设宇宙)是全息图还是有很大区别的。

但我们的宇宙实际上是全息图吗?或者这个想法只适用于假设的宇宙?

这仍然是一个有争议的问题。但最近有一些理论研究表明全息原理可能也适用于我们的宇宙——包括今年 5 月奥地利和印度物理学家发表的一篇备受瞩目的论文。

和马尔达西那一样,他们也试图利用这一原理寻找量子物理学和引力理论这两个不同领域之间的相似性。在我们的宇宙中,这两种理论通常并不一致:它们对任何给定粒子的行为预测不同的结果。

但在这篇新论文中,物理学家计算了这些理论如何预测纠缠程度——这是一种奇异的量子现象,两个微小粒子的状态可以相互关联,因此一个粒子的变化会影响另一个粒子,即使它们相距甚远。他们发现,通过将一个特定的平坦宇宙模型视为全息图,他们确实可以让两种理论的结果相匹配。

尽管如此,尽管这比马尔达西那研究的宇宙更接近我们的宇宙,但它只是一种特殊的平坦空间,他们的计算没有考虑时间——只考虑了其他三个空间维度。更重要的是,即使这确实直接适用于我们的宇宙,也只能表明它可能是全息图。这不是确凿的证据。

我们如何证明宇宙是全息图?

全息仪
费米实验室的全息仪,用于一些测试,有人认为这些测试可以找到全息原理的证据。
 费米实验室

最好的证明方式是从全息理论做出的可测试预测开始。然后实验物理学家可以收集证据,看看它是否符合预测。例如,大爆炸理论预测,我们可能会发现 138 亿年前剧烈膨胀后,宇宙中会散发出某种形式的残余能量——20 世纪 60 年代,天文学家以宇宙微波背景的形式发现了这种能量

目前,还没有一个普遍认可的测试可以为这个想法提供确凿的证据。不过,一些物理学家认为,全息原理预测时空所能容纳的信息量是有限的,因为我们看似三维的时空是由有限数量的二维信息编码的。正如费米实验室的克雷格·霍根最近对 Motherboard 所说,“基本的影响是,现实的信息量是有限的,就像康卡斯特没有给你足够的带宽时,Netflix 电影一样。所以事情有点模糊和不稳定。”

霍根和其他人正在使用一种名为全息仪的仪器来寻找这种模糊现象。它依靠强大的激光来观察时空中的信息量是否存在根本性限制(在极小的亚微观层面) 。他们说,如果存在,这可能是我们生活在全息图中的证据。

不过,包括萨斯坎德在内的其他物理学家却否定了这项实验的前提,并表示它无法为全息原理提供任何证据。

假设我们证明宇宙是全息图。这对我的日常生活意味着什么?

全息宇宙中的日常生活。(Shutterstock.com)
全息宇宙中的日常生活。
 Shutterstock.com

从严格意义上来说,这没什么意义。你一生中遵循的物理定律似乎保持不变。你的房子、狗、汽车和身体将继续以三维物体的形式出现,就像它们一直以来一样。

但从更深层次的意义上讲,这一发现将在深刻层面上彻底改变我们的生存方式。

宇宙是在 138 亿年前由一个物质点突然剧烈膨胀而形成的,这对你的日常生活影响不大。但大爆炸的发现对于我们目前了解宇宙的历史以及我们在宇宙中的位置至关重要。

同样,量子力学的奇异原理(如纠缠,两个遥远的粒子以某种方式相互影响)也不会真正改变你的日常生活。你看不到原子,也注意不到它们这样做。但这些原理是另一个基本事实,它告诉我们一些关于宇宙基本性质的完全出乎意料的事情。

证明全息原理也大同小异。在日常生活中,我们可能不会过多考虑我们生活在全息图中这一奇怪而违反直觉的事实。但这一发现将成为全面理解物理定律的重要一步——它决定了你所做的每一个动作。

来源:By Joseph Stromberg

Some physicists believe we’re living in a giant hologram — and it’s not that far-fetched

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