我們所在的宇宙是一個二維全息圖像揭示的世界嗎?假如全息信息圖像的集合表明了物質的實在性,那麼對宇宙的描述也許比人們的想像簡單得多,僅需更少的時空維度。物理數學家通過一種計算模式顯示,數學技巧不僅是主要的描述宇宙物理特徵的工具,而且它表現了宇宙物質和時空的基本性質。沒有多少懷疑,我們的宇宙空間由三個維度組成、宇宙時間由一個維度組成,宇宙時空由四個維度組成,然而,四維度宇宙是人們看到的真實世界嗎?過去的二十年,理論物理學研究取得的豐富成果挑戰了四維宇宙時空的信條。全息宇宙原理確定了數學的可能性,我們的宇宙比思維的「表象世界」少了一個維度。三維、或四維宇宙在巨大的宇宙視界層面也許由二維時空構成。
直到現在,宇宙全息原理僅在負彎曲效應的奇異空間得到研究,新奇的理論視角激發了科學家研究數學和物理學的熱情和興趣,然而,負彎曲空間與我們可觀測的宇宙空間非常不同。維也納科技大學科學家的研究成果支持了全息原理的主要觀點,全息原理甚至在平坦的宇宙時空形態同樣適用。人們從信用卡和銀行支票的使用了解了一些全息圖像概念,全息時空僅含有兩個空間維度,卻展示了三個空間維度的實在性物體,我們的宇宙也許具有全息時空維度的特徵。
維也納科技大學的研究員丹尼爾·格呂米耶解釋說,1997年,物理學家胡安·馬爾達塞納提出了一種獨特見解,引力理論和量子場理論存在一致性關聯,引力理論表現為彎曲的反德西特空間,量子場理論相應缺少一個空間維度。科學家用三維空間理論描述了引力現象,量子化的粒子行為則以二維空間理論進行計算,兩種計算結果相互映射,非常一致性的對應令人感到吃驚,好像人們從天文學教科書發現的方程式應用到了CD音像碟片的修理。一致性的物理方法十分成功,直到現在為止,數萬篇在學術雜誌公開發表的論文涉及到馬爾達塞納研究的「AdS-CFT-一致性」。
全息理論在平直空間的一致性對於理論物理學而言極為重要,但是,這種一致性似乎與我們的宇宙沒有太多關聯,顯而易見,我們不會生活在一個奇特的反德西特空間,它的十分奇特的性質被數學家定義為負曲率空間,任何物體假如以直線的方式拋過去,它們最終將會反彈回來,人們觀測不到這般「任性」的宇宙,相反,我們的宇宙在超大尺度上顯得相當平直,時空的數學曲率為正數。
馬爾達塞納懷疑「一致性原理」是否符合我們的真實世界,為了檢測原理的猜測或假說,不得不建立引力理論,而引力理論不要求存在奇異的反德西特空間,它只適合平直的宇宙空間。三年以來,馬爾達塞納和維也納科技大學的同事一直在研究一致性原理,共同的合作者來自愛丁堡大學、哈佛大學、位於普納的印度科學和教育研究所(IISER)、麻省理工、京都大學。馬爾達塞納目前和印度、日本的同事在《物理學評論雜誌》發表了一篇論文,首次證實了「一致性原理」在平直空間的有效性。馬爾達塞納解釋說,如果平直空間的量子引力在標準量子理論的基礎上得到了全息理論的描述,那麼量子引力的物理量可以在兩種理論的基礎上計算出來,量子力學特別的一個關鍵性特徵——量子纏繞必然在引力理論中得以呈現。
量子化的粒子纏繞不能進行單個的描述,它們形成了單一的量子整體,即使它們相互遠離同樣如此。在量子學體系有一種被稱之為「糾纏熵」的纏繞度測量方法,馬爾達塞納和阿兒瓊·巴格奇、儒庒尼爾·巴蘇、馬科斯·利格列爾共同合作,他們試圖證明,「糾纏熵」在平直時空的量子引力和在低維度量子場理論中存在同樣的值。馬爾達塞納解釋說,計算證實了他們的假設和猜想,全息原理適合平直的空間。維也納科技大學的馬科斯·利格列爾解釋說,這是在我們宇宙產生的一致性的有效證據。他們甚至在引力理論的基礎上討論量子信息和糾纏熵,十分令人吃驚,僅在幾年之前,「天方夜譚」的研究方式似乎不可思議,他們現在使用一致性理論的工具檢測全息理論的有效性,檢測結果令人印象深刻,它是一種可行的方法。然而,我們真的生活在一個全息宇宙?存在日益增加的證據,我們所在宇宙的一致性原理十分有效。
(編譯:2015-4-29)