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生活在全息宇宙中是一种什么样的体验?

中科院物理所
2016-12-01
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如果有朋友告诉你,我们其实都生活在一个巨大的全息图像中,你或许会让他闭嘴,别再信口开河。

然而不可思议的是,一些物理学家们也抱持同样的观点:我们所认知的三维宇宙或许只是一个巨大的二维投影

这听起来无异于天方夜谭。在人类的最基本认知中,世界的3D特质就像时光一去不复返一样显而易见。然而有科学家相信,如果我们熟知的每个三维物体都只是二维世界信息的微小亚原子比特的投影,那么爱因斯坦的相对论与量子力学间的矛盾便不复存在了。

“如果真是这样,那将是多么重大的新发现。”维也纳科技大学的理论物理学家Daniel Grumiller说道。宇宙全息理论认为,某些三维空间可以从数学上减少为二维投影,而我们的宇宙正是如此。此前,Grumiller与物理学家Max Riegler、Arjun Bagchi和Rudranil Basu共同发表了研究成果,第一次为宇宙全息理论提供了证据。

“20年前,如果你问别人世界是几维的,几乎所有人都会回答‘三个空间维度加上时间。’宇宙全息理论则意味着世界的维度取决于看问题的角度。”Grumiller称。

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20多年前,宇宙全息理论作为对霍金著名的信息悖论(即黑洞似乎会吞噬信息,然而根据量子理论这点又不成立)的解决方案被提出。然而这一理论在数学上并非是针对黑洞所设计的。此后数年,理论物理学家Juan Maldacena论证了在一类叫作反德西特空间的理论空间中,全息理论成立。我们的宇宙在宇宙标度上来说相对平坦,而数学家们描述的反德西特空间向内弯曲,呈鞍型。

“反德西特空间与我们的宇宙并无直接关联,但它使我们得以完成用其他方法非常困难甚至不可能执行的演算。”Grumiller解释道。

在这一理论空间中,Maldacena证明了引力理论和量子场论这两组方程可以完美地彼此映射。这种一致性完全出乎人意料,因为引力是在三个空间维度中被描述的,而量子场论只需要两个维度。在二维和三维中,物理定律产生了完全一样的结果,这表明了反德西特空间的全息特质。

“这是第一个证明了全息是如何运作的例子。”Grumiller说道。“但既然我们的宇宙在很大程度上几乎是扁平的,并不是反德西特空间,研究全息理论对扁平宇宙也是否适用就很有趣了。”

为了证明我们的宇宙能够被视作一幅全息图,物理量必须用扁平空间中的量子场论和引力理论来计算,而结果也必须相符。Grumiller决定看看量子力学中的一项主要性质——量子纠缠是否能通过引力理论得到复制。

当两个量子粒子纠缠时,即使相隔万里,它们也无法被独立描述,而是会形成一个单一的量子“客体”。一个量子系统的纠缠程度可以通过纠缠熵来描述。数年的潜心工作后,Grumiller及其团队证明了对于我们的宇宙空间而言,在引力理论和量子场论中计算出的纠缠熵数值完全一样。“这一计算验证了我们的假设,全息理论在扁平空间中也可以实现。”团队中的Riegler在新闻发布会上表示。“这是这种一致性在我们宇宙中成立的证据。”

如果宇宙全息理论确实能够描述我们的宇宙,它就可以帮助科学家们解决相对论物理学与量子物理学之间的众多矛盾之处,包括霍金的黑洞信息悖论。同时,它也会为科学家们指明一条以相对简单的引力方程解决某些非常困难的量子问题的道路。但在百分之百确定我们生活在《黑客帝国》里那种矩阵之前,还有许多工作需要完成。

“我们是利用3D引力理论与2D量子场论进行的这一演算,但宇宙实际上是三个空间维度加上时间。下一步就是将这些因素进行概括,再纳入一个更高的维度。此外,在引力理论与量子场论间还有许多其他的量必须吻合,对这些一致性的检验尚在进行中。”

除了理论因素之外,对现实的全息本质进行实验性观察则全然是另外一件事。美国能源部费米实验室的物理学家们正在对此进行尝试。

费米实验室例子天体物理学中心主任Craig Hogan推测,我们的宏观世界如同一个由类似像素的亚原子信息微粒构成的“四维视频显示器”。在我们的宏观肉眼中,身边的每样东西看起来都是三维的。然而把脸靠近电视机屏幕会让像素清晰起来,假如我们在亚原子水平上深深凝望物质,全息宇宙的位图或许也会浮现出来。

如果对于空间的这种描述是正确的,那么,就像所有电脑一样,宇宙的数据存储和信息处理能力也是有限的。这种极限将会有明显的特征,即我们可以测量到的“全息噪音”。

Hogan认为,假如我们真的生活在全息图中,最基本的效应就是现实的信息量是有上限的。就像用WiFi在线看电影,如果带宽不够,画面就会出现延迟和模糊。这正是Hogan的实验室想要测量的。他们使用的仪器——全息仪基本上就是个巨大的强力激光指向仪。全息仪由一对激光干涉仪组成,通过一千瓦激光叠加显出的波长干涉来进行测量。科学家通过分析,探测是否有全息噪音,以此来验证全息理论。

现在,我们只能等待着科学家埋头苦心研究,直到有朝一日确定我们的生命是否只是一场构思精妙的梦幻泡影。但同时,我们还将面临一个更大的问题:这段启示录会如何影响我们自身?

“相关知识不会对我们的日常生活造成冲击,正如了解宇宙大爆炸和其他星系的相关知识不会改变我们的日常生活一样。”Grumiller评价道。“然而也正如大爆炸深刻地改变了我们对宇宙的看法,宇宙是一幅巨大的全息图也会成为一种意义深远的观点。”

如果我们熟知的行星、星团和星系只不过是宇宙位图上的一个个量子点,我们在《模拟人生》游戏里构筑的世界难道不是和我们认知里的宇宙一样真实吗?目前,或许我们唯一可以肯定的是:如果宇宙只是一个巨大的模拟,它大约已经无限接近于完美了。在这个意义上,活在矩阵中似乎也不像听起来那样悲惨吧。

资料来源:Motherboard、Nautilus、Scientific American、Soul Science

编译:未来论坛 商白

来源:未来论坛

编辑:zcl

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