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更真实的宇宙

2013-12-22 09:40 作者:苗千来源:三联生活周刊 2013年第51期
全息原理的提出,已经给人们带来了足够多的震撼以及对于真实的反思——如果我们所观测到的宇宙只是一种更为真实宇宙的“全息投影”,那么我们对于真实的定义及其界限的设定又该如何修改?

柏拉图在他的名著《理想国》中曾经用一个“洞穴寓言”来阐述他对于真实本质的理解:一群被迫生活在洞穴里的人,无法走出洞穴,于是只能通过外界的事物留在洞穴中一面墙壁上的影子来了解外部世界。他写道:“所谓真实,无非是事物的阴影。”

人类对于宇宙的理解,究竟怎样才可能尽量接近真实?我们所生活的宇宙是否存在一种最基本的“真实”?或者换一个方式发问,人类是否有可能最终理解到宇宙的本质?目前可能还没有人能回答这个问题,人类对于宇宙本质的认识也一直在变化中,每一次进步和改变,都代表着人类对于“真实”的意义理解的加深。

荷兰理论物理学家杰拉德·特·胡夫特

在牛顿时代,人类认为宇宙是一个精确设置的、永不停歇的完美机器,日月星辰按照牛顿力学的支配在绝对空间与绝对时间中运行。进入20世纪后,随着量子力学和宇宙学的发展,人类对于宏观和微观世界运行的规律有了更深的理解。而到了20世纪90年代,一种听上去玄之又玄,甚至耸人听闻的理论开始在理论物理学界流行,这种理论尽管在目前还没有任何可靠的实验证据,但它已经吸引了越来越多物理学家的关注,也许它可以使人类对宇宙的理解更加接近“真实”,而当我们重读柏拉图的洞穴寓言,可能会感觉到它比我们想象中更直接描述了我们对于宇宙本质的理解。也许,我们真的只是一群生活在洞穴中通过外部事物的投影来认识整个宇宙的人,或许,人类只是更真实的自己的“投影”?这个让人越思考越感到糊涂的理论就是全息原理。

全息原理是一个试图描述宇宙本质的物理学理论,它听起来玄妙且神秘,但简单说,这个理论认为,我们所生活和观察到的宇宙中所包含的所有信息,实际上只是在宇宙空间边界上的信息的一种“全息投影”,这似乎符合柏拉图关于事物本质的判断,而这个“洞穴寓言”听起来也就不仅只是一个寓言故事。

说起全息原理的起源,还要从物理学家关于黑洞性质的讨论说起。在20世纪70年代,理论物理学家们对于黑洞的热力学性质产生了疑问。众所周知,当一个接近黑洞的物体被黑洞所吞噬,那么,这个被吞噬的物体就永远也无法逃出黑洞,同时,它自身所携带的“信息”也就永远消失了,这与量子力学中信息不灭的理论相违背,也就构成了一个“黑洞信息悖论”。同时,黑洞吞噬掉一个物体后,其自身的质量增加,它的“视界”的面积也会相应增大,如果它的熵值没有相应增大,则违背了热力学第二定律。这两个理论问题随后相继被解决,史蒂芬·霍金提出了“霍金蒸发”理论,认为黑洞会在它的视界周围向外发射辐射,这样被它吞噬掉的物体的信息并没有消失,而是会重新回到宇宙中。耶路撒冷希伯来大学的理论物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)则提出了一个大胆的假说,认为黑洞的熵值与其视界的表面积成正比关系。

物理学家克雷格·霍根

这两个理论解决了黑洞的信息悖论和热力学问题,同时也说明,被黑洞吞噬掉的三维物体,它们的信息并未永久消失,而是被储存在了黑洞视界的二维的表面。它给理论物理学家带来了启示,在1993年,荷兰理论物理学家杰拉德·特·胡夫特(Gerard't Hooft)把这个关于黑洞的理论引申到了宇宙学中,提出全息原理——与黑洞类似,宇宙中的信息只是在宇宙空间边界所存储的信息的投射。同样在1993年,弦论的创始人之一、斯坦福大学的理论物理学家伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)从弦论的角度出发,也得出了相似的结论。

全息原理一提出自然引起了巨大争论,因为这涉及人类对于“真实”的最根本意义的理解,人类如何去理解自己的存在实际上是某种信息的“投射”?另外,全息原理除了给人们的观念造成巨大冲击外,是否也像其他的很多宇宙学理论或是假说一样,只是一个优美的数学形式,而永远都无法通过实验证明?对于全息原理来说,情况并非如此,有些物理学家认为,这个玄而又玄的理论有可能通过实验进行检测。

在芝加哥大学和费米实验室工作的物理学家克雷格·霍根(Craig Hogan)认为,在地球上进行引力波探测的精密仪器有可能接收到证明全息原理成立的证据,他称这种证据为“全息噪音”,他把目光投向了在德国汉诺威南部的一个探测引力波的精密实验GEO600,那里的科学家们希望通过GEO600实验的两个相互垂直分别长达600米的探测臂来探测在宇宙中质量和密度极大的星体造成的时空微小的褶皱——引力波。霍根认为,如果全息原理成立,那么,时空将呈现出比物理学家之前想象的更加粗大的“颗粒化”,而这种时空性质可能会给引力波的探测结果增添一些噪音。霍根正是在GEO600的探测结果中发现了此前他预言会存在的噪音,2008年5月,他在《物理评论D》(Physical Review D)杂志发表论文《几何学中量子涨落的测量》(Measurement of Quantum Fluctuation sin Geometry)报告了这个发现。但即便如此,就连霍根自己也不敢承认,这就是全息理论成立的切实证据,而且人类在宇宙中的其他观测实验也还没有找到类似的“全息噪音”,现在判断全息原理正确与否,似乎还为时尚早。

最近一篇在网上发表的论文预印本让全息理论又成为理论物理学家们讨论的焦点。2013年11月,日本理论物理学家正德花田、百武良文、石木五郎和西村俊合作发表了论文《在计算机中对量子黑洞的全息描述》(Holo graphic Description of Quantum Black Hole on a Computer),在这篇论文中他们通过计算机模拟来检验全息原理,尽管这并不属于严格意义上的物理学实验,但是这个计算机模拟的结果却提供了可能是到目前为止对于全息原理最有力的支持。

这篇论文提供的计算机模拟结果,符合理论物理学家胡安·马尔德赛纳(Juan Maldacena)在1997年根据全息原理提出的一个设想:引力是由宇宙中更高维度的极其微小纤细而且不停震动的“弦”所引发,而这种无所不在的弦,则是由一种更为简单、平坦且不存在引力的宇宙在我们目前所观测到的宇宙中的一种投射。它提供了一种可能在量子力学和广义相对论这两种极为基本且重要但是目前互不相容的物理学理论之间相互转换的方式,它通过全息原理的方式使量子力学和广义相对论可以相互融洽,并且从全息原理的角度解释了引力的来源,而这正是全世界物理学家几十年来追寻的结果。

想要验证全息原理,物理学家当然不可能只依靠计算机模拟的结果,必定还需要更多严格的实验检测。全息原理是否有可能被证实,成为一个最终结合了量子力学与相对论的物理学原理,我们还不得而知,但是全息原理的提出,已经给人们带来了足够多的震撼以及对于真实的反思——如果我们所观测到的宇宙只是一种更为真实宇宙的“全息投影”,那么我们对于真实的定义及其界限的设定又该如何修改?

仅仅从物理学发展的角度来考虑,我们也可以看到,要想实现量子力学和广义相对论这两种理论的统一,物理学家们很有可能将从对黑洞性质的研究中寻找突破口。通过对一种目前仅在理论中存在而无法进行实际观测神秘天体的讨论来加深人类对于宇宙和自身的理解,这可能是只会出现在理论物理学领域的一种奇观了。

本文写作参考了《自然》杂志的报道以及相关论文)

 

 

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