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      生活在全息宇宙中是一種什么樣的體驗(yàn)?

         2018-05-28 5140
      導(dǎo)讀

      照鏡子時(shí),鏡子里的你和你十分相像--但并不完全相同。你舉起右手時(shí),鏡子里的你舉起左手。鏡中的映像僅僅是一組反射的光線,它并不是實(shí)質(zhì)性的。但是盡管如此,你和你的鏡像間仍然存在著某種重要的聯(lián)系。此類鏡像關(guān)系是一種我們熟悉且強(qiáng)大的對(duì)稱形式。我們可以說(shuō)心形圖案是對(duì)稱的,因?yàn)槠渥髠?cè)就是右側(cè)的反射。但是你鏡中影像

      照鏡子時(shí),鏡子里的你和你十分相像--但并不完全相同。你舉起右手時(shí),鏡子里的你舉起左手。鏡中的映像僅僅是一組反射的光線,它并不是實(shí)質(zhì)性的。但是盡管如此,你和你的鏡像間仍然存在著某種重要的聯(lián)系。
      此類鏡像關(guān)系是一種我們熟悉且強(qiáng)大的對(duì)稱形式。我們可以說(shuō)心形圖案是對(duì)稱的,因?yàn)槠渥髠?cè)就是右側(cè)的反射。但是你鏡中影像的對(duì)稱性就不一樣,它所體現(xiàn)的東西要深刻得多。心形對(duì)稱是因?yàn)樽笥覀?cè)的外形是相似的,而你與你鏡像間的對(duì)稱則由物理定律所引發(fā)。光線的自然法則要求你和你的鏡像是對(duì)稱的。這是一個(gè)強(qiáng)大且微妙的對(duì)稱類型范例,被稱為二像性。
      二像性是兩件事物間的聯(lián)系,其中一件的屬性由另一件所定義。舉例來(lái)說(shuō),假設(shè)在桌子上有一本書(shū),書(shū)的封面上固定了一個(gè)釘子,釘子尖頭朝上。無(wú)論你怎么拿這本書(shū),釘子將始終指向封面的外部。你知道了釘子的指向,你也就同時(shí)知道了書(shū)的位置;你知道了書(shū)的位置,也就知道了釘子的指向。因此,書(shū)和釘子間存在著二像性。
      那么是釘子的朝向決定了書(shū)的位置,還是書(shū)的位置決定了釘子的朝向?這個(gè)問(wèn)題毫無(wú)意義。釘子和書(shū)之間存在的二像性并非是指一個(gè)物體決定了另一個(gè)物體的位置,而是指釘子和書(shū)根本屬性之間的聯(lián)系,二者之間沒(méi)有因果關(guān)系。假如有人問(wèn)你光是粒子還是波的時(shí)候,你就可以結(jié)合量子理論這樣回答他。
      波粒二像性是量子理論的核心。光明顯是波:不同波長(zhǎng)的光線呈現(xiàn)出不同的顏色;不同波長(zhǎng)光線的交織會(huì)產(chǎn)生類似激光的東西。光也明顯是粒子:離散的光子會(huì)和原子發(fā)生作用;單個(gè)光子會(huì)象臺(tái)球一樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)。光的波粒二像性意味著光子和光波之間存在著對(duì)稱性。它是具有波特性的粒子,也是具有粒子特性的的波。它既是波,又不是波;既是粒子,又不是粒子。量子理論的強(qiáng)大在于你不用去區(qū)分粒子和波,它就是具有波粒二像性的量子物體。
      這是否意味著宇宙是一幅全息圖像?不完全是。這意味著二像性的存在…
      物理學(xué)上最強(qiáng)大的二像性可能就是全息原理了。這個(gè)原理常被曲解為宇宙是一幅全息圖像。而確切地說(shuō),它的意思是指一定體積的空間與封閉這個(gè)空間的表面之間存在二像性。全息原理指出,一個(gè)空間區(qū)域內(nèi)所包含的信息可以從包含這個(gè)空間的表面上獲得。在數(shù)學(xué)上,這意味著空間的體積可以表現(xiàn)為一個(gè)全息表面圖像,這個(gè)觀點(diǎn)因此得名。
      然而不可思議的是,一些物理學(xué)家們也抱持同樣的觀點(diǎn):我們所認(rèn)知的三維宇宙或許只是一個(gè)巨大的二維投影。這聽(tīng)起來(lái)無(wú)異于天方夜譚。
      這聽(tīng)起來(lái)無(wú)異于天方夜譚。在人類的最基本認(rèn)知中,世界的3D特質(zhì)就像時(shí)光一去不復(fù)返一樣顯而易見(jiàn)。然而有科學(xué)家相信,如果我們熟知的每個(gè)三維物體都只是二維世界信息的微小亞原子比特的投影,那么愛(ài)因斯坦的相對(duì)論與量子力學(xué)間的矛盾便不復(fù)存在了。
      " 全息宇宙 " 并不是一個(gè)新鮮的概念,因?yàn)?90 年代就有人提過(guò)。但一支來(lái)自意大利、英國(guó)和加拿大的研究團(tuán)隊(duì),對(duì)其投入了很大的興趣,甚至找到了一絲"我們可能生活在一個(gè)全息宇宙中"的線索。其研究首次展示了可支撐該理論的觀測(cè)證據(jù),即我們身處的這個(gè)看似 3D 的宇宙,實(shí)際上是一個(gè)完全(且超大的)2D 全息圖。
      為了解釋這個(gè)看似復(fù)雜的 3D 宇宙如何存在于一個(gè) 2D 曲面上,英國(guó)南安普頓大學(xué) Kostas Skenderis 教授將之與很多信用卡上所使用的小全息圖聯(lián)系了起來(lái)。
      盡管這種全息圖像看起來(lái)有 3D 的效果,但它實(shí)際上是在 2D 表面上噴繪并被貼到信用卡上的。雖然例子有些乏味,但人們可以通過(guò)觸覺(jué)等方式與 3D 物體交互。
      全息理念是我們理解宇宙結(jié)構(gòu)和創(chuàng)造的一個(gè)重大飛躍,愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論,可以很好地解釋宇宙中的大事物,但在量子層面解釋其機(jī)制和起源的話又有些違和。幾十年來(lái),科學(xué)家們一直在努力將愛(ài)因斯坦的重力和量子理論結(jié)合起來(lái),一些人認(rèn)為全息宇宙的概念有望調(diào)和兩者之間的矛盾,但愿我們的研究又向前邁進(jìn)了一步。
      " 如果真是這樣,那將是多么重大的新發(fā)現(xiàn)。" 維也納科技大學(xué)的理論物理學(xué)家Daniel Grumiller說(shuō)道。宇宙全息理論認(rèn)為,某些三維空間可以從數(shù)學(xué)上減少為二維投影,而我們的宇宙正是如此。此前,Grumiller與物理學(xué)家Max Riegler、Arjun Bagchi和Rudranil Basu共同發(fā)表了研究成果,第一次為宇宙全息理論提供了證據(jù)。
      "20年前,如果你問(wèn)別人世界是幾維的,幾乎所有人都會(huì)回答'三個(gè)空間維度加上時(shí)間。'宇宙全息理論則意味著世界的維度取決于看問(wèn)題的角度。"Grumiller稱。
      20多年前,宇宙全息理論作為對(duì)霍金著名的信息悖論(即黑洞似乎會(huì)吞噬信息,然而根據(jù)量子理論這點(diǎn)又不成立)的解決方案被提出。然而這一理論在數(shù)學(xué)上并非是針對(duì)黑洞所設(shè)計(jì)的。此后數(shù)年,理論物理學(xué)家Juan Maldacena論證了在一類叫作反德西特空間的理論空間中,全息理論成立。我們的宇宙在宇宙標(biāo)度上來(lái)說(shuō)相對(duì)平坦,而數(shù)學(xué)家們描述的反德西特空間向內(nèi)彎曲,呈鞍型。
      "反德西特空間與我們的宇宙并無(wú)直接關(guān)聯(lián),但它使我們得以完成用其他方法非常困難甚至不可能執(zhí)行的演算。"Grumiller解釋道。
      在這一理論空間中,Maldacena證明了引力理論和量子場(chǎng)論這兩組方程可以完美地彼此映射。這種一致性完全出乎人意料,因?yàn)橐κ窃谌齻€(gè)空間維度中被描述的,而量子場(chǎng)論只需要兩個(gè)維度。在二維和三維中,物理定律產(chǎn)生了完全一樣的結(jié)果,這表明了反德西特空間的全息特質(zhì)。
      "這是第一個(gè)證明了全息是如何運(yùn)作的例子。"Grumiller說(shuō)道。"但既然我們的宇宙在很大程度上幾乎是扁平的,并不是反德西特空間,研究全息理論對(duì)扁平宇宙也是否適用就很有趣了。"
      為了證明我們的宇宙能夠被視作一幅全息圖,物理量必須用扁平空間中的量子場(chǎng)論和引力理論來(lái)計(jì)算,而結(jié)果也必須相符。Grumiller決定看看量子力學(xué)中的一項(xiàng)主要性質(zhì)--量子糾纏是否能通過(guò)引力理論得到復(fù)制。
      當(dāng)兩個(gè)量子粒子糾纏時(shí),即使相隔萬(wàn)里,它們也無(wú)法被獨(dú)立描述,而是會(huì)形成一個(gè)單一的量子"客體"。一個(gè)量子系統(tǒng)的糾纏程度可以通過(guò)糾纏熵來(lái)描述。數(shù)年的潛心工作后,Grumiller及其團(tuán)隊(duì)證明了對(duì)于我們的宇宙空間而言,在引力理論和量子場(chǎng)論中計(jì)算出的糾纏熵?cái)?shù)值完全一樣。"這一計(jì)算驗(yàn)證了我們的假設(shè),全息理論在扁平空間中也可以實(shí)現(xiàn)。"團(tuán)隊(duì)中的Riegler在新聞發(fā)布會(huì)上表示。"這是這種一致性在我們宇宙中成立的證據(jù)。"
      如果宇宙全息理論確實(shí)能夠描述我們的宇宙,它就可以幫助科學(xué)家們解決相對(duì)論物理學(xué)與量子物理學(xué)之間的眾多矛盾之處,包括霍金的黑洞信息悖論。同時(shí),它也會(huì)為科學(xué)家們指明一條以相對(duì)簡(jiǎn)單的引力方程解決某些非常困難的量子問(wèn)題的道路。但在百分之百確定我們生活在《黑客帝國(guó)》里那種矩陣之前,還有許多工作需要完成。
      "我們是利用3D引力理論與2D量子場(chǎng)論進(jìn)行的這一演算,但宇宙實(shí)際上是三個(gè)空間維度加上時(shí)間。下一步就是將這些因素進(jìn)行概括,再納入一個(gè)更高的維度。此外,在引力理論與量子場(chǎng)論間還有許多其他的量必須吻合,對(duì)這些一致性的檢驗(yàn)尚在進(jìn)行中。"
      除了理論因素之外,對(duì)現(xiàn)實(shí)的全息本質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性觀察則全然是另外一件事。美國(guó)能源部費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們正在對(duì)此進(jìn)行嘗試。
      費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室例子天體物理學(xué)中心主任Craig Hogan推測(cè),我們的宏觀世界如同一個(gè)由類似像素的亞原子信息微粒構(gòu)成的"四維視頻顯示器"。在我們的宏觀肉眼中,身邊的每樣?xùn)|西看起來(lái)都是三維的。然而把臉靠近電視機(jī)屏幕會(huì)讓像素清晰起來(lái),假如我們?cè)趤喸铀缴仙钌钅镔|(zhì),全息宇宙的位圖或許也會(huì)浮現(xiàn)出來(lái)。
      如果對(duì)于空間的這種描述是正確的,那么,就像所有電腦一樣,宇宙的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息處理能力也是有限的。這種極限將會(huì)有明顯的特征,即我們可以測(cè)量到的"全息噪音"。
      Hogan認(rèn)為,假如我們真的生活在全息圖中,最基本的效應(yīng)就是現(xiàn)實(shí)的信息量是有上限的。就像用WiFi在線看電影,如果帶寬不夠,畫(huà)面就會(huì)出現(xiàn)延遲和模糊。這正是Hogan的實(shí)驗(yàn)室想要測(cè)量的。他們使用的儀器--全息儀基本上就是個(gè)巨大的強(qiáng)力激光指向儀。全息儀由一對(duì)激光干涉儀組成,通過(guò)一千瓦激光疊加顯出的波長(zhǎng)干涉來(lái)進(jìn)行測(cè)量??茖W(xué)家通過(guò)分析,探測(cè)是否有全息噪音,以此來(lái)驗(yàn)證全息理論。
      現(xiàn)在,我們只能等待著科學(xué)家埋頭苦心研究,直到有朝一日確定我們的生命是否只是一場(chǎng)構(gòu)思精妙的夢(mèng)幻泡影。但同時(shí),我們還將面臨一個(gè)更大的問(wèn)題:這段啟示錄會(huì)如何影響我們自身?
      "相關(guān)知識(shí)不會(huì)對(duì)我們的日常生活造成沖擊,正如了解宇宙大爆炸和其他星系的相關(guān)知識(shí)不會(huì)改變我們的日常生活一樣。"Grumiller評(píng)價(jià)道。"然而也正如大爆炸深刻地改變了我們對(duì)宇宙的看法,宇宙是一幅巨大的全息圖也會(huì)成為一種意義深遠(yuǎn)的觀點(diǎn)。"
      如果我們熟知的行星、星團(tuán)和星系只不過(guò)是宇宙位圖上的一個(gè)個(gè)量子點(diǎn),我們?cè)凇赌M人生》游戲里構(gòu)筑的世界難道不是和我們認(rèn)知里的宇宙一樣真實(shí)嗎?目前,或許我們唯一可以肯定的是:如果宇宙只是一個(gè)巨大的模擬,它大約已經(jīng)無(wú)限接近于完美了。在這個(gè)意義上,活在矩陣中似乎也不像聽(tīng)起來(lái)那樣悲慘吧。
       
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