物理學家說，我們生活在一個全息圖中，但他們的意思是什麼？房間的牆上是否有一個平面世界的我？或者我是一個神秘的五維存在的投影，超出了我自己的理解？如果我腦子裡的所有東西都可以用它的邊界來描述，那麼我實際生活在多少個維度中？如果這些問題讓你夜不能寐，我有答案。
1.為什麼有些物理學家認為我們的宇宙可能是一個全息圖？
一切都始於對統一理論的探索。
統一對我們理解自然規律非常有用：蘋果的下落規律與行星的運行規律相同。物質以氣體、液體和固體的多種形式出現，可以用分子的不同排列方式來描述。分子的巨大變化本身可以被理解為原子的各種組成。這些統一的原則很久以前就被發現了。今天，物理學家將統一稱為不同相互作用的共同起源。例如，電和磁的相互作用被證明是同一電磁相互作用的兩個不同方面。電磁相互作用，已進一步與弱核相互作用統一起來。目前還沒有人能成功地將所有已知的相互作用統一起來，包括電磁作用、強核作用和弱核作用，以及引力作用。
弦理論被認為是強核相互作用的理論，但很快就發現量子色動力學，即夸克和膠子理論。在物理學家發現弦可以用來解釋所有已知的相互作用，包括引力之後，使用弦的想法獲得了重生，因此可以成為萬物的統一理論，物理學的聖杯。
然而，要從弦理論中得到具體相互作用的標準模型是很困難的。所以這個故事是這樣的，近年來，對統一的追求慢慢被對二元性的追求所取代，這表明所有不同類型的弦理論實際上是同一理論的不同方面，這一點還沒有被完全理解。
一般意義上的二元性是一種確定兩種理論的關係。你可以把二元性理解為一種特殊類型的統一。在正常的統一中，你將兩個理論合併成一個更大的理論，在一個合適的範圍內包含前兩個理論。如果你把兩個理論通過對偶性聯繫起來，你會發現理論是一樣的，只是它們看起來不同，這取決於你怎麼看它們。
在過去幾十年裡，高能物理學最有趣的發展之一是在不同數量的時空維度中發現理論之間的二元性。其中一個理論是高維空間的引力理論，通常被稱為「體積」。另一種是與標準模型非常相似的測量理論，它存在於體積時空的邊界(有時被稱為「膜」)上。這種關係通常被稱為測量重力對應關係，它是弦理論中更普遍的對偶性的一個極限。
請注意，這種對應關係還沒有得到嚴格的證明。但是，有幾個例子已經進行了充分的研究，因此幾乎可以肯定地證明了這一點。
這些二元性被稱為「全息」，因為它們告訴我們，在引力理論的大部分時空中，所有允許發生的事情都被編碼在那個空間的邊界上。因為在體積表面的信息比體積本身的信息少，所以在體積中發生的事情比你預期的要少。似乎盒子裡的粒子都是相互獨立的，但它們實際上是相互關聯的。就像您正在觀察一個大房間，孩子們在奔跑和跳躍一樣，但是突然之間，您會發現他們中的每一個跳躍，出於神秘的原因，十個人必須在同一時間跳躍。
如果你在體積和表面上用離散的單位來編碼信息，看起來你可以在體積中存儲比在表面上更多的信息。全息術告訴你事實並非如此。並不是體積中的所有構型都是獨立的。2.為什麼我們的宇宙可能是一個全息圖很有趣呢？
由於全息技術，對粒子之間的獨立性數量的這種限制只會在密度太高而無法直接測試的情況下變得明顯。但是，這種對偶性之所以有趣，是因為物理學主要是熟練的近似技術，而使用對偶性是一項新技能。
你們可能見過費曼圖，它們描繪了粒子散射過程，這些圖中的每一個都對交互過程有貢獻。圖中的循環越多，貢獻就越小。所以物理學家所做的就是先把最大的貢獻加起來，然後是較小的，然後是更小的，直到它們達到預期的精度。它被稱為「微擾理論」，只有在相互作用越多，貢獻越小的情況下才有效。如果是這樣，這個理論就被稱為「弱耦合」，一切都很好。如果不是這樣，這個理論就被稱為是「強耦合的」，你永遠不可能把所有相關的貢獻加起來。如果一個理論是強耦合的，那麼粒子物理學家的標準方法就失敗了。
例如，強核力具有「漸近自由」的特殊性質，這意味著它在高能量下會變弱。但在低能量時，它非常強。因此，人們對低能的核物質理解得很差，例如夸克膠子等離子體的行為，或者為什麼單個夸克不能自由運動，卻總是「局限」在更大的複合態中。另一個有趣的例子是「奇怪」金屬，其中包括高溫超導體，這是物理學家的另一個聖杯。
當一個理論強耦合且難於處理時，對偶理論弱耦合且易於處理，因此測量-重力對偶性有助於處理這些系統。對偶性本質上是把一個困難的計算轉換成一個簡單的計算。
3.我們在全息宇宙的哪裡？
由於邊界理論和整體理論是由對偶性聯繫在一起的，它們可以用來描述相同的物理現象。因此，在基本層面上，這種區別是沒有意義的——它們是描述同一事物的兩種不同方式。只是有時候其中一個更容易使用，有時候另一個更容易使用。
如果你觀察特定的系統，比如夸克膠子等離子體或黑洞，你可以給出這個問題的意義，並要求粒子經歷的維數。粒子的這種規格說明使這個問題變得有意義，因為識別粒子並不總是可能的。
夸克膠子等離子體的理論被置於邊界上，因為它將由強耦合理論來描述。因此，如果您認為它是您實驗室的一部分，那麼您已經將自己和實驗室都放在了邊界上。然而，我們所體驗的「維度」的概念是與粒子的自由移動聯繫在一起的。這可以在「光譜維數」的定義上變得更加嚴格，粗略地說，「光譜維數」測量的是一個粒子可以迷失在多少個方向上。使一個系統強耦合的事實意味著我們不能正確地定義自由運動的單個粒子。所以當你可以在實驗室的三維空間中移動的時候，夸克膠子等離子體首先必須被轉換成高維理論來討論單個粒子的移動。從這個意義上說，實驗室的一部分確實變得更高維了。
RHIC是在相對論性重離子碰撞中產生夸克膠子等離子體的對撞機之一。然而，如果你觀察一個天體物理黑洞，情況就相反了。我們知道在它附近的粒子是弱耦合的，並且只經歷三維空間。如果你想在這種情況下應用二元性，那麼我們就會處在整體中，會有我們的低緯度投影和邊界上的黑洞。這將限制我們四處走動的自由，即使是以一種我們沒有注意到的微妙方式。然而，與測量重力二元性相關的體積時空是所謂的反德西特空間，它們總是有一個負的宇宙常數。然而，就我們目前所知，我們居住的宇宙有一個正的宇宙常數。因此，目前還不清楚是否真的有一個更低維度的系統可以描述我們宇宙中的黑洞。
目前，許多研究人員正致力於擴展測量重力二元性，以包括具有正的宇宙常數或根本沒有的空間，但至少到目前為止，還不清楚這是否有效。所以現在我們不知道在低維度時空中是否存在我們的投影。
4.這種二元性有多好？
測量重力二象性的應用大致分為三個大的領域，加上推動對該理論的一般理解的技術發展的多樣性。這三個區域分別是夸克膠子等離子體、奇異金屬和黑洞蒸發。在前兩種情況下，我們的宇宙在邊界上，在後一種情況下，我們在體積上。
對黑洞蒸發的研究是對數學一致性的檢驗，旨在揭示信息是如何逃離黑洞的，或者在奇點處發生了什麼。在這個領域，目前的問題多於答案。對偶性在夸克膠子等離子體上的應用最初引起了許多興奮，但隨著最近一些懷疑論的傳播。看來等離子體並不像最初認為的那樣強耦合，使用二元性也不像希望的那樣簡單。隨著分析方法和數值方法的發展，奇異金屬和其他類型材料的應用正在迅速發展。幾個觀察到的行為已經被定性地再現了，但是目前還不是很清楚哪種系統是最好的。模型的空間仍然太大，這為有用的預測留下了太多的空間。在這個領域，答案多於問題。
全息術是一個令人難以置信的想法，從數學上講，有大量令人信服的理由和一致性表明我們的宇宙很可能是一個全息圖。但對於我們能在三維現實中觀察到什麼有新的見解呢？旅程仍在繼續。