宇宙是一幅全息圖像嗎？

Dominic Alves

全息圖像是把三維信息印刷在二維平面上制作而成的,。如果我們改變觀察角度，它們的形象就會發(fā)生改變,。在當(dāng)前的宇宙學(xué)中有不少觀點認(rèn)為,，我們認(rèn)為空間只有三個維度，是因為我們只能感知這三個維度,，而實際上宇宙中存在的維度要更多,。更有一種奇妙的可能性，我們實際上是在特定角度上看到的來自更高維度宇宙的投影,。

我們可能都見過平面的全息圖像,，但大多數(shù)人不知道這些圖像制作原理,。這背后的科學(xué)知識十分奇妙。

實驗室中全息圖像的制作裝置,。維基共享資源

攝影的原理十分簡單。光從物體發(fā)出或經(jīng)過反射后,，通過鏡頭在平面上被記錄下來,。這個原理不僅適用于攝影，也是人眼工作的方式,。光線被眼球聚焦后,，轉(zhuǎn)化成生物信號被大腦感知，生成一幅圖像,。

但是如果使用特殊的感光劑和相干光源（如激光）,，我們就能制作出一幅包含全部光場的影像，也就是全息圖像,。拍攝對象的密度,、質(zhì)地、透明度等變化能夠被全部記錄下來,。這樣的平面影像在適宜的光照下,，會在特定視角下呈現(xiàn)出所有能夠被收集到的三維信息，最奇妙的是,，我們在所有視角上都可以看到這種展示效果,。當(dāng)我們把它打印在金屬底片上后，就能得到一幅常見的全息圖像,。

我們的宇宙有三個可供感知的空間維度,。但它是否擁有更多的維度？就像常見的全息圖像是編碼在二維平面上的三維信息一樣,，我們的三維宇宙是否有可能是一種更基本的,、四維或更高維度現(xiàn)實的編碼？事實上這種可能性是存在的,，但是與此同時,，我們也必須明白這種可能性是受到限制的。

宇宙是全息圖像這個觀點來自弦理論,。弦理論的基礎(chǔ)來自一個假說——弦模型,。弦這個概念，是用來解釋強(qiáng)互作用力,，如質(zhì)子,、中子和其它重子（如介子）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。它作出了許多實驗無法驗證的違反直覺的預(yù)言,，如它預(yù)言存在一種自旋為2的粒子,。但是人們也承認(rèn),，在接近普朗克尺度的能量標(biāo)準(zhǔn)上，弦理論框架就能夠把已知的基本作用力和引力統(tǒng)一起來,。弦理論的一大特點（也可以被看作是一大漏洞,，取決于你怎么看）是這種物理學(xué)理論需要有大量的額外維度存在,。因此最大的一個問題就是,，在這個理論中，我們所知的這個只有三維空間的宇宙為什么會多出那么多維度,？且哪一種弦理論的版本才更合理一些呢,？

David Trowbridge

也許,，多種不同的弦理論模型實際上是同一個基礎(chǔ)理論的不同詮釋,，只是視角不同。在數(shù)學(xué)中,，兩個互相等價的系統(tǒng)被認(rèn)為具有“二元”關(guān)系,，而與全息圖像有關(guān)的最令人吃驚的發(fā)現(xiàn)之一是，有時候,，兩個具有二元性的系統(tǒng)可以擁有不同的維數(shù),。讓物理學(xué)家特別興奮的原因，是1997年物理學(xué)家Juan Maldacena提出的AdS/CFT對偶,，在這種假想的聯(lián)系中,，我們這個可以用量子場理論對基本粒子和它們的相互作用進(jìn)行描述的三維（再加上時間）宇宙，與一個被量子引力理論主宰著的更高維度時空（反德西特空間）具有二元關(guān)聯(lián),。

存在于體積內(nèi)部與封閉邊界平面間的AdS/CFT對偶。維基共享資源

到目前為止,，人們在高維空間和低維邊界間發(fā)現(xiàn)的二元性關(guān)聯(lián)只能是連續(xù)的,，也就是說低維邊界的維數(shù)只允許比高維減少一個。我們?nèi)圆磺宄?，弦理論中的十個維度如何才能與我們的三維宇宙產(chǎn)生二元性關(guān)聯(lián),。二維的全息圖像只能將三維信息編碼在內(nèi)；我們無法將四維信息編碼在二維全息圖像中,，也不能在一個維度中容納我們的三維宇宙,。

地球的全息圖像,。Kevin Gill

兩個擁有二元性的,、維數(shù)不同的空間之所以有趣還有另一個原因——低維邊界表面上所擁有的信息，要比它容納的全部空間中所包含的信息要少,。因此假如我們在其表面測量到一個事件,，其內(nèi)部發(fā)生的事件肯定會更多,。大維度空間中發(fā)生的事件形態(tài)可能會與別的位置發(fā)生關(guān)聯(lián)，而不是獨立的,。這種情況聽起來非常反常,，但如果你聽說過量子糾纏這個概念，就會有所理解,。對糾纏系統(tǒng)中的一部分進(jìn)行測量能夠即時告訴你另一部分的信息,。全息圖像可能與這種奇異的本性有關(guān)。

StarGazer

二元性是一個數(shù)學(xué)事實,，也是一個迷人的物理學(xué)可能。它是否會引導(dǎo)我們對這個宇宙作出更深刻的理解,？可能會,。但現(xiàn)在我們還不知道多久才會實現(xiàn)，也不知道它是否能夠在常規(guī)理論和量子引力間建立起我們渴望已久的聯(lián)系,。但這是一個終極期待,。假如宇宙真的是一幅全息圖像，那才是一個真正偉大的啟示,！

Ethan Siegel 文 / 老孫 譯