全息宇宙 | 我們的宇宙是一張全息圖嗎?

2021-03-03 清華天協

圖片來源: PBS Space Time, YouTube

  來源：Quanta Magazine

  翻譯：張君睿 [結尾閱讀原文]

  改編：學術部 賴文昕

統一引力和量子理論向來是物理學家們的終極追求。從 1915 年愛因斯坦發表廣義相對論起，一個世紀過去了，我們離這一宏偉目標仍有一段距離；不過，一百年以來的探索並非是徒勞的：高能理論的發展給我們帶來了諸多豐富的啟示，使我們得以窺探終極理論的形態，甚至刻畫我們所處宇宙的形態。

全息對偶（holographic duality）正是在場論、引力和弦論研究中誕生的一個重要理論工具。全息對偶原理表明，包含引力的高維空間可以從不含引力的低維量子理論中像全息圖一樣產生。

這一原理使物理學家們自然地聯想到，我們的宇宙是不是也只是一張「全息圖」呢？這是一個十分誘人的想法；它意味著，我們所處宇宙中的各種豐富現象，大到星系形成、小到電子躍遷，都可以用一個低維的、不含引力的量子場論加以描述。

在 全息宇宙 系列文章中，我們將探索全息宇宙的可能性，包括全息對偶的基本圖像、相應的理論實現及其困難之處，並介紹一些最新的研究進展。

全息（holography）本身是一種十分神奇的光學現象；通過幹涉等技術手段，我們可以將三維光場記錄到一張二維底片上，並可通過投影再現三維的圖像。

全息現象表明，二維的全息圖（hologram）實際上可以記錄三維光線的（幾乎）所有信息；這是一個相當反直觀的現象。不過應當注意，三維光場的分布並不是任意的，它必須滿足電磁場的麥克斯韋方程（Maxwell's equations）；也就是說，在電磁理論強有力的約束下，三維光場的行為實際上非常有限，可以完整地由邊界處的二維光場決定。

高能理論中的全息對偶與光學中的全息現象在直觀上是十分類似的。此時，高維空間由一個量子引力理論描述，而與其對偶的、無引力的量子理論則處於低一維的邊界上。

全息對偶的首個精確模型由 Juan Maldacena 於上世紀 90 年代末提出，這就是著名的 AdS/CFT 對偶；其中，AdS 指 Anti-de Sitter 時空，它對應宇宙學常數 Λ < 0 的宇宙。這和我們所處的宇宙恰好相反；現實宇宙是加速膨脹的，這對應 Λ > 0, 引力研究中稱為 de Sitter (dS) 時空。

Maldacena 及其劃時代的文章；按照 inspirehep.net 統計，此文目前已有 14900+ 引用。圖片來源: Princeton, arXiv.

與 AdS 對應的「全息圖」 —— CFT —— 則是一類性質優良的量子場論，稱為「共形場論」 (conformal field theory). 在共形場論中，尺度變換不改變基本的物理規律；也就是說，無論把我們縮小多少倍或放大多少倍，觀測到的物理世界都是完全一樣的。

共形場論中，物理規律與丈量世界的尺度無關；圖為 Rick and Morty 的縮小射線和「大頭」種族。來源: Rick and Morty

幾何上，AdS/CFT 的結構如下圖所示，AdS 宇宙即是圖中圓柱體內部的區域（bulk），而與其對偶的全息理論 CFT 則處於圓柱體的側面邊界上（boundary）。圓柱體的軸向是時間方向，而垂直於時間軸的空間截面則具有負曲率幾何（雙曲幾何）。

AdS / CFT的幾何圖示，來源：Wikipedia

負曲率幾何的基本特徵在 M. C. Escher （埃舍爾）的畫作中可見一斑；圖片來源：Wikipedia

AdS/CFT 對偶現已成為理解量子引力、黑洞乃至宇宙大爆炸的重要理論工具。在這一框架下，時空結構與引力可視為量子理論的湧現 / 層展現象（emergence）。

不過，AdS/CFT 畢竟只是個玩具模型（toy model）；如前所述，我們的真實宇宙與 AdS 恰恰相反，是 dS 型的時空。如何應用、推廣 AdS/CFT 的精確結論，以使其適用於我們的真實世界呢？這正是當下的研究熱點！欲知後事如何，敬請關注 全息宇宙 欄目～

相關焦點

  • 宇宙是一張全息投影圖?
    弦理論中，有個基本概念，宇宙可能是一張全息影像圖，人類每天在三維空間所感受到的一切只是宇宙最遙遠的地方的全息投影，我們感受到的宇宙其實是外界的信息，所以有可能我們的生活真的只是在宇宙這張廣闊的畫布上表演繪畫而已。你的人生就是一齣戲，是不是很浪漫。
  • 宇宙或許只是一張全息圖
    我們生活在一個全息圖中嗎？科學家提出了一個奇特的理論暗示我們的宇宙可能是一個全息圖。根據當前的全息原理，需要一個二維的平面，這個平面內擁有能夠描述三維圖像的所有信息。自1997年以來，科學家就開發出基於宇宙理論的全息理論，現在這一理論得到進一步發展，科學家已經能夠展示建立在全息理論基礎之上的宇宙間如何進行工作。
  • 我們的宇宙已不幸地「淪為」了一張全息圖!
    啟迪多元思維二、全息宇宙理論證明萬物一體，任何一個部分都包含整體的信息。當然，要想獲得「萬物一體」的直觀感受只有通過不斷精進修為進而提升自己的維度才可以實現。因此，即使我們已經從理性上知道了萬物一體的真相也還是覺得難以置信。那，科學上可以提供一定的依據來支撐這個觀點嗎？1982年，一件聳人聽聞的事發生了。
  • 我們的宇宙,是一個全息投影
    我們的宇宙？願景已經存在。你應該聽說過全息投影。所謂全息投影是指將物體保存成三維圖像的技術。然而，可笑的是我們的宇宙是這樣的，我們眼中的一切和感知都是幻覺。我們只是這個超全息投影圖像的一部分。這一駭人聽聞的現象，吸引了許多試圖用複雜方式解釋宇宙的物理學家。當代美國著名量子物理學家、科學思想家大衛·玻姆提出了一個大膽、直接、簡單的觀點：這一發現意味著客觀實在不存在。雖然宇宙看起來具體而堅實，但它只是一個幻覺，一個巨大而詳細的全息圖！為什麼玻姆會做出如此驚人的假設？
  • 世界是一張全息照片,全息宇宙假說
    有一種理論，叫做「整體包含於部分中」例如，將一根磁棒折成幾段，每個棒段的南北極特性依然不變，每個小段是它原來整根棒的全息縮影，是整根棒的成比例縮小。一面鏡子碎裂成幾塊還是鏡子，每一面小的鏡片仍然能夠被當成鏡子使用，每一塊鏡子的碎片也可以看成整面鏡子的全息縮影。人的受精卵和它發育成的各種細胞相比較，其DNA是相同的。人體的每一個細胞都包含了這個人全部的遺傳信息，所以克隆技術才可以利用一個細胞複製出一個人來。
  • 全息的宇宙
    全息的宇宙通常的照相底版上只記錄了光的強度，而全息照相不僅能記錄光的強度，還記錄了光的相位，所以可以用相干光從中提取三維物體的全部幾何信息。但你可曾想過，我們身處的宇宙也是張全息圖。 　　說宇宙是張全息圖，是指宇宙具有類似全息圖的性質。這一發現源於黑洞物理的研究。黑洞是一類特殊的天體，其引力非常強，以至於連光也被吸引住了。
  • 原創:全息宇宙
    點擊題目下方藍字李小託，關注我的原創文章《全息宇宙》 作者：李小託在一個魚缸中放進一條魚，假定我們不能直接看到這條魚，我們找來兩臺相互垂直的攝像機"觀察"魚的活動，圖象直接在兩臺電視機上播放出來由此科學界提出了一個全息宇宙的概念，儘管宇宙看起來具體而堅實，但它本質上不過是個幻象，一個巨大而細節豐富的全息圖。全息論的核心思想是，宇宙是一個不可分割的、各部分之間緊密關聯的整體，任何一個部分都包含整體的信息。
  • 宇宙是一張全息圖? 費米實驗室將通過實驗揭開秘密
    宇宙的本質是不是就是一張二維全息圖？
  • 全息宇宙,如是我聞
    但是飲譽當代的美國量子物理學家和科學思想家戴維·玻姆拋出了一個大膽卻十分直接、簡單的想法：此發現意味著客觀現實並不存在，儘管宇宙看起來具體而堅實，但其實它只是一個幻象，是一張巨大而細節豐富的全息攝影相片！全息宇宙理論-發展首先我們得了解什麼是全息相片。
  • 黑洞是全息宇宙的證據嗎？
    自科學開始以來，我們達到了很多，但以艾薩克·牛頓的空間思想開始的旅程遠未結束。宇宙所構成的東西可以帶來比我們夢想的更多驚喜。讓我們以你為例。你其實看起來很真實，不是嗎？然而，有令人驚訝的新暗示，從我們人類到房間本身，一切都可能只是一種全息圖。我們所看到和體驗的一切以及我們熟悉的三維現實的一部分可以是存儲在薄的遠處二維表面上的信息的投影。
  • 詳解宇宙全息理論
    被我們認為「無生命」的電子竟然也會在距離如此遙遠時互通聲氣，一起運作，這實在像個令人難以置信的幻覺。這個駭人的現象使很多物理學家著迷，他們都試圖用複雜的方法來解釋這個現象。但是享譽當代的美國量子物理學家和科學思想家戴維·玻姆拋出了一個大膽卻十分直接、簡單的想法：此發現意味著客觀現實並不存在，儘管宇宙看起來具體而堅實，但其實它只是一個幻象，是一張巨大而細節豐富的全息攝影相片！
  • 幻覺宇宙:驚人的全息宇宙理論
    被我們認為「無生命」的電子竟然也會在距離如此遙遠時互通聲氣，一起運作，這實在像個令人難以置信的幻覺。　　這個駭人的現象使很多物理學家著迷，他們都試圖用複雜的方法來解釋這個現象。但是飲譽當代的美國量子物理學家和科學思想家戴維·玻姆拋出了一個大膽卻十分直接、簡單的想法：此發現意味著客觀現實並不存在，儘管宇宙看起來具體而堅實，但其實它只是一個幻象，是一張巨大而細節豐富的全息攝影相片！
  • 全息宇宙理論、奇點理論及光速無法超越?
    一，全息宇宙理論。宇宙全息論的基本原理是:從潛顯信息總和上看，任一部分都包含著整體的全部信息。換句話說：1、部分包含整體。一張全息照片每個部分都包含整個照片的全部信息。比如人類所感知的四維時空，可能本身只是一個三維時空，但我們的意識將其解釋為三維空間+一維時間。世界是一張全息圖嗎？
  • 我們活在全息宇宙?物理學家獲得實質性證據表明宇宙是幻象
    根據一直在調查宇宙大爆炸「餘輝」的不規則的理論物理學家，宇宙可能是一個「龐大複雜的全息圖」，我們對三維生活的感知可能只是一種錯覺。　　這個物理研究小組表示，他們發現了支持全息宇宙理論的「實質性證據」，這將改變我們對整個宇宙的認知。　　全息宇宙理論在20世紀90年代首次被提出，該理論認為構成我們的三維「現實」的所有信息都包含在一個二維表面的邊界。
  • 顛覆性理論:宇宙只是一幅巨大的「全息圖」?
    在你眼裡，宇宙是真實的嗎？我們對世間萬物，包括你、我甚至是空間本身的理解，真的是正確的嗎？有科學家提出了這樣的理論：宇宙可能是一個「龐大而複雜的全息圖」，我們對三維空間生活的看法，可能只是一種錯覺。那就是說，我們看到和體驗到的一切，我們所稱的三維空間或許是一種儲存在細薄而遙遠的二維表面信息的投影。這有點像全息圖的信息，它其實是儲存在一片薄薄的塑料上的。但如果說宇宙是全息圖，這可能是對我們設想的空間和現實世界提出的最為慘烈的修正。而證據則來自太空中最怪異的空間，那就是黑洞。我們可以這樣思考，假設我把我的皮夾丟進一個黑洞，那會發生什麼呢？
  • 全息宇宙中的信息
    相關結果表明，我們認為具有三個空間維度的宇宙可能會被寫在二維表面上，就像全息圖一樣。我們每天對世界的三維認知既可能是一種深刻的幻覺，也可能只是觀察現實的兩種替代方式之一。一粒沙子可能不會包含我們的世界，但平面屏幕可能會。形式信息理論起源於1948年由美國應用數學家Claude E. Shannon撰寫的開創性論文，他引入了當今最廣泛使用的信息內容量度：熵。
  • 宇宙只有三維嗎?更高維時空存在嗎?宇宙會不會只是它的全息投影
    我們的宇宙可能成為全息圖嗎？全息圖是人類所能創造的最有趣的"平面"物體之一。通過將一組全三維信息編碼到二維表面上，全息圖會隨著視角的改變而相應地更改其外觀。我們目前對宇宙的理解的許多外延表明，空間三維可能只是我們所能感知到的三個維度；維度實際上可能不止這些。
  • 如何讓宇宙全息知識為我們導航服務
    一、既然宇宙是全息的，那麼，上帝神佛就在我們身上，因為我們是上帝神佛的一個細胞，一個細胞包含著宇宙整體的全部信息，同理，魔也在我們身上，當我們內心充滿了對宇宙整體生命的愛時，我們便具有了上帝的特性，當我們對一切生命表現出仁慈時，我們便具有了神佛的特性
  • 科學家:宇宙是大型全息圖,我們都被編碼在二維
    科學的眼光觀世界 富有的思維察明理作為生命體的一種形式，人類可以利用各種感官來體驗身處的世界，但感知這個東西很容易欺騙我們。比如兩個維度的光線相疊加，可以構成三維形式的構象，這就是真實世界的呈現方式。或許這種「錯覺」遠遠超出了我們的認知，但相當一部分科學家認為：至少在理論上，整個宇宙就是一個全息圖。這個細思極恐的觀念首先於20世紀70年代被提出。科學家對黑洞的屬性以及物體的熵值如何在遵循熱力學第二定律的條件下「消失」這兩個問題進行了深入的探討，最後得出：黑洞內 「收納」的物質與黑洞的體積無關，而與其表面積有一定聯繫。
  • 多元宇宙是科學理論嗎?霍金的「全息宇宙論」又是什麼?
    在開放宇宙理論中，遙遠的空間，有一個與我們現有的「已知宇宙」相同的宇宙，這也就是第一類平行宇宙泡沫宇宙理論每一個宇宙就相當一個「泡沫」，不同泡沫宇宙的碰撞會產生新的宇宙，我們現有的宇宙也可能是之前更大泡沫宇宙之間碰撞的結果，每一個泡沫宇宙都有不同的物理參數。