原文刊載《新科學(xué)家》2009年1月15日

譯者：王某人,，自號剛剛_開著花兒。現(xiàn)游學(xué)于湖湘“南蠻之地”,，有折騰瓶瓶罐罐之癖好,，看見液體就想攪拌攪拌，看見固體就想敲開看看,；繼承煉丹師之遺愿：誓為世界和諧貢獻(xiàn)個人健康,。

性情外弱內(nèi)剛，外冷內(nèi)熱,。我本男兒身，卻被朋友玩笑為女兒郎,；相思無寐夜夜晚晚,，無奈踏上愛情路實在太難。
整一俗人,，好談笑風(fēng)聲,，喜游山玩水，望周游列國,，樂游戲人間,，易附庸風(fēng)雅，實乃遺笑大方,。

我們所處的三維世界有可能是宇宙的終極幻象嗎,？Marcus Chown稱一臺德國探測器捕捉信息的分析結(jié)果暗示：人類的存在都只不過是投影。

駕駛在德國漢諾威巿南部的鄉(xiāng)村，容易錯過的景點莫過于引力波探測計劃GEO600所在地,。

它的外貌并不起眼：角落里建著一棟配套的方形臨時建筑,，兩條覆蓋著波紋鋼的溝渠以適當(dāng)?shù)慕嵌认蛲庋娱L，溝渠里則安裝著長達(dá)600米的探測器,。

在過去的7年間,，這項德國計劃一直在尋找引力波，一種由像中子星和黑洞這樣超密度天體的引起時空波動,。雖然目前為止還未有發(fā)現(xiàn)任何引力波,，但它可能已在無意中獲得了半世紀(jì)以來物理學(xué)中最重要的發(fā)現(xiàn)。

幾個月來,，GEO600的研究人員一直對這個巨型探測器中揮之不去的噪音困擾不已,，直到某天，一位研究員靈光閃現(xiàn),，才對噪音的存在作出了合理的解釋,。事實上，在這位研究人員在知道他們測得噪音之前就已經(jīng)預(yù)測了它的存在,。而根據(jù)一位工作在伊利諾斯州巴達(dá)維亞的費米實驗室粒子物理分部的物理學(xué)家Craig Hogan的推測,，其實GEO600的研究人員已經(jīng)無意中發(fā)現(xiàn)時空的極限，處于這一極限的時間和空間的行為更像粒子,，而非愛因斯坦所描述的處于平滑的連續(xù)狀態(tài),，好比一幅報紙圖片放大到一定倍數(shù)時你就會發(fā)現(xiàn)它是由像素點組成。“看起來好像探測器正遭受微觀量子振動的襲擊”Hogan解釋道,。

如果這都讓你無動于衷的話,，那么已被任命為費米實驗中心粒子天體物理學(xué)主任的Hogan的這句話應(yīng)該會讓你大吃一驚：“假如GEO600得到的結(jié)果和我的推測吻合，那么可以判斷,，我們都生活在一幅巨大的宇宙全息圖中,。”

這一觀點聽起來荒謬，但卻是我們對某些事物理解的自然延伸,，這些事物中包括黑洞以及擁有堅實理論基礎(chǔ)的事件,。同時，這一觀點也給物理學(xué)家努力研究宇宙在最基本的層次上的運動狀態(tài)時提供了十分有用的幫助,。

信用卡和紙幣上的全息圖印刻在平面的塑膠膜上,，當(dāng)光線從全息圖上反射時便會產(chǎn)生立體圖像。上世紀(jì)九十年代,，物理學(xué)家Leonard Susskind和諾貝爾獎獲得者Gerard ’t Hooft共同提出：全息原理或許能應(yīng)用于整個宇宙,，我們的日常生活體驗可能就是一幅來自遙遠(yuǎn)地區(qū)二維平面反射的全息投影圖。

GEO600的激光是否已經(jīng)證明時空的基本模糊性,？

全息原理讓人難以接受,。難以想象的是宇宙的另一邊正發(fā)生的事情控制著你起床,、刷牙和閱讀這篇文章等等行為。雖然理論家有足夠的理由相信在很多方面全息原理的存在是真實可信的,，但是卻沒有人知道人類生活在全息圖中這一假設(shè)到底意味著什么,。

Susskind和Hooft這一非凡觀點的靈感來源于以色列耶路撒冷希伯萊大學(xué)的Jacob Bekenstein和劍橋大學(xué) 的Stephen Hawking，后兩者對黑洞的研究具有開創(chuàng)性的貢獻(xiàn),。七十年代中期,，Hawking證明黑洞并非完全“黑不見底”，而是緩慢地釋放出輻射,，如此導(dǎo)致的結(jié)果是黑洞最終蒸發(fā)消失,。然而，謎題隨之出現(xiàn)：稱之為霍金輻射的熱輻射本身并不攜帶黑洞內(nèi)部的任何信息,，當(dāng)黑洞消失之后,，坍塌為黑洞的恒星的全部信息也隨之消失，如此推導(dǎo)的結(jié)果與信息永不消失這一被廣泛接受的原理相悖,。對于解決這個“黑洞信息悖論”,，Bekenstein的研究提供了重要的線索，他發(fā)現(xiàn)黑洞熵值,，也就是黑洞的信息容量,，正比于其“視界”表面積，視界是黑洞在理論上的外表面,，它籠罩著洞口,，標(biāo)出了界限，任何逾越這道界限的物質(zhì)和光都無法從中逃脫,。

理論家由此證明微觀量子在視界的波動會編碼黑洞內(nèi)部的信息,，故當(dāng)黑洞蒸發(fā)消失時信息并沒有離奇失蹤。

重要的是,，此結(jié)論深化了對物理學(xué)的理解：坍塌為黑洞的恒星的三維信息能夠完整地被編碼在黑洞的二維視界上,，這與將物體的立體圖像編碼在二維的全息圖上并無不同。Susskind和Hooft進(jìn)一步解釋到：宇宙作為一個整體,，同樣有其視界,，來自視界另一面的光線在宇宙137億年的壽命期間內(nèi)是無法到達(dá)地球的。

另外,，多個弦論學(xué)家，尤其是來自普林斯頓高等研究院的Juan Maldacena的工作已經(jīng)證明,，以上的研究方向是正確的,，并證明了物理規(guī)律在設(shè)想的形似普林格薯片的五維宇宙中與在四維空間中毫無二致。

根據(jù)Hogan的推斷,，我們對時空的認(rèn)識會因此得到根本性的改變,。理論物理學(xué)家長期以來都認(rèn)為量子效應(yīng)會在最小的尺度上引起時空的嚴(yán)重扭曲,，在這個倍率上，時空的基本結(jié)構(gòu)趨向粒子,，并且是由類似像素,、但是比質(zhì)子還小一千億億倍的微小單元構(gòu)成的。這個單元的長度稱作普郎克長度,，為1×10^-35米,，如此微小的長度在任何實驗條件下都無法實現(xiàn)，以至于沒人可以想象能夠親眼看到組成時空的粒子,。

“看似量子的劇烈運動會衍生橫向的振動,，難以置信的是實驗捕獲了由這些振動引起的噪音。”

直到Hogan意識到全息原理會給世界帶來翻天覆地的變化時他才確認(rèn)自己的推斷是正確的,。如果時間和空間都是由粒子構(gòu)成的全息圖,，那么你可以把宇宙想成一個球體，它的外表面覆蓋著普朗克長度見方的正方形,，每一片正方形都包含一比特的信息,。根據(jù)全息原理，宇宙外表面包含的信息數(shù)量必須與宇宙內(nèi)部所容納的比特數(shù)相符,。

然而考慮到球形宇宙的體積大大地大于它的外表面,，要實現(xiàn)這一點可能嗎？Hogan意識到要實現(xiàn)宇宙內(nèi)外比特數(shù)一致,，則組成宇宙內(nèi)部物質(zhì)的粒子直徑必須較普朗克長度長,，Hogan用另一種說法解釋到：一個全息的宇宙是一個模糊的宇宙。

對于任何致力于證明時空最小單元的人這都是個利好消息,。“雖然與設(shè)想的情況相反,，但它使在現(xiàn)有的實驗條件下觀測量子的微小結(jié)構(gòu)成為可能。如果你生活在全息圖中,，你就能通過測量宇宙的模糊程度來得知這一點,。”Hogan如是說。所以既然普朗克長度小到無法實驗測量,，那么就測量其大到近10^-16米的全息投影,。

當(dāng)Hogan初次意識到這一點時，他還在猶豫是否存在這樣的實驗?zāi)軌蛱綔y到時空的全息模糊性,，然后GEO600進(jìn)入了我們的視線,。

類似于GEO600這樣的引力波探測器從本質(zhì)上講都是非常靈敏的標(biāo)尺。它的工作原理如下：當(dāng)引力波通過GEO600時,，它就會引起空間在一個方向伸展和另一個方向收縮的交替運動,，為檢測空間運動的存在，GEO600會發(fā)射單一的激光束并使之透過稱為分束器的半鍍銀鏡,，此后激光被分為兩束,，分別進(jìn)入裝置中600米長的互相垂直的兩臂,，激光經(jīng)多次反射后回到分束器并生成干涉圖，干涉圖上亮區(qū)表示光波相互疊,，暗區(qū)表示光波相互抵消,，亮區(qū)和暗區(qū)的任何移動則表明兩臂的長度已經(jīng)發(fā)生了改變。

“實驗的關(guān)鍵在于,，標(biāo)尺對遠(yuǎn)小于質(zhì)子直徑長度的變化非常靈敏,。”Hogan說。

那么引力波探測器有可能探測到粒子狀時空全息投影嗎,？

Hogan認(rèn)為全世界五個引力波探測器中,，英德合作的GEO600應(yīng)該是最能滿足他的要求。他預(yù)測到,，如果實驗的分束器受到時空量子波動的沖擊,，那么檢測的結(jié)果就會顯示出來（《物理評論D》，vol 77, p 104031）,。“無規(guī)則振動產(chǎn)生的噪音會混合在激光信號中,。”

Hogan曾在六月份將自己的預(yù)測發(fā)送給GEO600的研究團(tuán)隊。“不可思議,，我發(fā)現(xiàn)實驗裝置那時檢測到莫名的噪音,。”Hogan說。工作在德國波茨坦市馬克斯.普郎克重力物理學(xué)研究院和漢諾威大學(xué)的GEO600項目負(fù)責(zé)人Karsten Danzmann承認(rèn),，額外噪音的頻率在300到1500赫茲之間,，已經(jīng)困擾了項目團(tuán)隊有好長一段時間。

Karsten Danzmann回復(fù)了Hogan的來信,，并給他發(fā)送了一幅噪音的波譜圖,。“跟我的預(yù)測如出一轍，就好像是分束器在作額外的振動,。”Hogan說,。

然而，即便是Hogan也不能斷定GEO600已經(jīng)發(fā)現(xiàn)證據(jù)證明我們生活在一個全息的宇宙,，現(xiàn)在還為時尚早,。Hogan認(rèn)為：“噪音源可能平凡無奇。”

引力波探測器極其靈敏,，所以操作人員必須倍加細(xì)致才能排除噪音的干擾,。他們必須考慮到頭頂云層的流動、遠(yuǎn)處車輛的往來,、地殼的震動和其它各式各樣可能遮蔽真正信號的干擾源,。“日常的靈敏度改進(jìn)操作往往不可避免地產(chǎn)生噪音，我們的工作還包括鑒別噪音來源,、消除其影響,，然后繼續(xù)跟蹤另一噪音源。”Danzmann說,。由于目前為止沒有明確的噪音源能解釋GEO600的噪音,，故Danzmann還談到：“我認(rèn)為當(dāng)前情況并不樂觀，但不是真正令人擔(dān)憂,。”

GEO600團(tuán)隊曾一度以為Hogan在意的噪音是由于分束器上的溫度波動,，然而計算結(jié)果表明溫度波動產(chǎn)生的噪音頂多占三分之一。

Danzmann提到會對GEO600進(jìn)行若干項有計劃的升級以提高其靈敏度,，并消除幾種可能的噪音源,，他說“如果在采取這些措施之后，情況仍得不到改善,，那我們就不得不重新思考了,。”對于引力波研究者來說，如果GEO600確實發(fā)現(xiàn)了源于時空量子波動的全息噪音,，那么不得不說這是一把雙刃劍：一方面,，噪音會阻礙團(tuán)隊對引力波的探測，另一方面,，它又代表著一項更加重大的發(fā)現(xiàn),。

如此情形并非史無前例。研究者們曾為尋找質(zhì)子衰變時放出的輻射建造巨型探測器,，結(jié)果探測器卻沒有找到這樣的輻射,。，但它們發(fā)現(xiàn)了中微子會在不同形態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換,，應(yīng)該說此發(fā)現(xiàn)尤為重要些,，因為我們可以從中得知宇宙為何是由物質(zhì)而非反物質(zhì)組成( 《新科學(xué)家》, 2008年4月12日, p 26 )。

如果一臺設(shè)備是建來探測天體物理學(xué)中引力波源那樣大的事物,，但一個不留神卻發(fā)現(xiàn)小的不能再小的時空粒子,，那可真是適得其反。“身為一名基礎(chǔ)物理學(xué)家,，在我看來,，發(fā)現(xiàn)全息噪音要有趣得多。”

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微小的代價

盡管Hogan的判斷正確,，而且全息噪音的確會影響GEO600對引力波檢測的靈敏度，但Danzmann還是樂觀的,，他說：“即便是噪音限制了GEO600在某些頻率段的靈敏度,，但相對于能夠首次發(fā)現(xiàn)時空的粒子性，這只是微小的代價,。我們應(yīng)當(dāng)高興,，畢竟在很長一段時間內(nèi)這都會是極其重要的發(fā)現(xiàn)之一。”

然而Danzmann對Hogan的想法依然持謹(jǐn)慎態(tài)度,，并認(rèn)為相關(guān)理論工作有待跟進(jìn),，他說：“這頂多只是個新鮮有趣的想法，還構(gòu)不上真正的理論,。”Danzmann和很多人都認(rèn)為現(xiàn)在做出確切的說明還為時尚早,，“至少早了一年，讓我們走著瞧,。”Danzmann說,。

謎題存在的時間越久，人們的建造專屬設(shè)備詳細(xì)調(diào)查全息噪音的動機(jī)就越強(qiáng)烈,。來自西雅圖華盛頓大學(xué)的John Cramer認(rèn)為,，Hogan的預(yù)測能跟GEO600項目實驗聯(lián)系起來是一件“僥幸”事件，他說：“事情再清楚不過了,，如果他們有意識地專注于全息噪音的測繪,、特征性質(zhì)的研究和相關(guān)的實驗現(xiàn)象，那么實驗結(jié)果會好得多,。”

根據(jù)Hogan所說,，有一種可能是利用一種叫原子干涉儀的設(shè)備來探測全息噪音，其原理與激光探測器相同,，但使用的光束由超冷原子制成,，而非激光。因為原子波波長遠(yuǎn)小于光波波長,，所以比起引力波探測器,，原子干涉儀的體積明顯縮小，價格也更便宜,。

那么如果全息噪音確實被發(fā)現(xiàn)了又意味著什么,？Cramer把它比喻成1964年新澤西州貝爾實驗室天線接收的未知噪音，此噪音結(jié)果被證明是大爆炸后的馀暉：宇宙微波背景輻射,，他說：“這一發(fā)現(xiàn)不僅使Arno Penzias 和Robert Wilson獲得諾貝爾獎,，而且證實了大爆炸的存在，從此開辟了一片新的宇宙學(xué)領(lǐng)域。”

Hogan說得更具體：“忘記《微量情愫》（Quantum of Solace,，即“007量子危機(jī)”）吧,，我們可以直接觀察到時間量子，也就是可能的最小時間間隔,，其定義為一顆光子以光速行進(jìn)過普朗克長度的距離所花的時間,。”

更為重要的是，全息原理的確立對嘗試統(tǒng)一量子力學(xué)和愛因斯坦引力理論的研究者有很大的幫助?，F(xiàn)在研究量子引力學(xué)最流行的方向是弦理論，研究者希望通過弦理論來描述宇宙在最基本的層次上的事件,。不僅如此,，Cramer還說到：“全息時空可被應(yīng)用于與弦理論有密切聯(lián)系的重力量子化過程中，結(jié)果是,，量子引力學(xué)里某些理論被可能被證明是錯誤的,，而另一些理論則得到加強(qiáng)。”

Hogan認(rèn)為全息原理一旦得以確認(rèn),，就會排除所有與全息原理相悖的研究量子引力的方向,，反過來說，對于那些與之相容的方向,，包括一些基于弦理論的方向和名為“矩陣?yán)碚?#8221;的方向,，這也是一個催進(jìn)。“最終,，我們會從量子理論中揭開時空的真空面目,。”隨著研究的繼續(xù)，我們再難有更驚人的發(fā)現(xiàn)了,。”