我们的宇宙可能成为全息图吗?

全息图是人类所能创造的最有趣的”平面”物体之一。通过将一组全三维信息编码到二维表面上,全息图会随着视角的改变而相应地更改其外观。我们目前对宇宙的理解的许多外延表明,空间三维可能只是我们所能感知到的三个维度;维度实际上可能不止这些。此外,还有一种诱人的可能:从某种角度看,我们实际上可能是一个更高维宇宙的全息投影。对此,读者吉姆·布雷想了解更多,他问道:

我们只是更高维时空的全息编码?对于宇宙的维度我们有了解多少?-MAAMX

图解:全息投影 来源:Flickr

对于全息宇宙似乎可以有很多解释。那么,假设全息观点是正确的,二维表面和三维展现之间的关系是什么?常见的全息图在考虑这个问题时有用吗?

我们都看过全息图,但大多数人不知道全息图实际上是怎么制作的。他们背后的科学原理简直令人着迷。

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图解:实验室创设全息图 来源:Wiki

照片的原理非常简单:拍摄物体发射或反射的光,通过镜头对焦,并将其记录在平面上。这不仅是摄影的工作原理,也是人眼随时观看事物的科学原理:眼球中的晶状体聚焦光线,而视网膜的棒状细胞和锥状细胞记录光,将其发送到大脑,大脑将其处理成图像。

但是,通过使用特殊的乳液和相干光(如激光),你可以创建某物整个光场的地图,这就是全息图。密度、纹理、不透明度等参数的变化都可以被忠实地记录下来。当平面的二维地图正确发光时,它可以显示全套三维信息,这些信息从你的角度可以收集到。但令人惊奇的是,不论你在什么角度观看,以上过程都会发生。如果把它印在金属薄膜上,你就有了一个传统的普通全息图。

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现在,我们实际感知到的宇宙有三个空间维度可供我们接触。但是,如果从根本上说,还有更多维度呢?正如普通全息图是编码了关于三维宇宙全部信息的二维表面,我们的三维宇宙是否可能对一个四维或更高维度现实进行编码,而我们被嵌入了这个更高维度现实中?答案是可以,并且会出现一些有趣的可能性,但很重要的一点是,这些可能性也存在限制。

认为我们的宇宙可能是全息图的想法来自弦理论。弦理论来自弦模型假说,用来解释强相互作用,因为质子、中子和其他重子(和介子)的内部已知具有复合结构。然而,它给出了一大堆荒谬的预测,这些预测与实验不相符,其中包括预测自旋-2粒子存在。但是人们认识到,如果朝向普朗克尺度提高能量尺度,弦框架可以用重力统一已知的基本力,因此弦理论诞生了。物理学“圣杯”的尝试的一个特征(或者说缺陷,这取决于你如何看待它)就是,它必需大量的额外维度。因此,重要的问题变成:我们如何从一个提供多个维度的理论中得出仅有三维的宇宙?弦理论有许多可能,那么哪一个弦理论是正确的?

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图解:粒子内部的复合结构 来源:Flickr

从另一个角度看,也许事实是,许多不同的弦理论模型和场景实际上是同一基本理论的不同侧面。在数学中,两个相互等效的系统被称为“对偶”,而一个与全息图相关的惊人发现是,有时两个对偶系统具有不同的维度。物理学家对此感到非常兴奋的原因是,1997年,物理学家胡安·马尔达塞纳提出了AdS/CFT对应关系,声称我们的三维(加时间)宇宙,其量子场理论描述了基本粒子及其相互作用,而这个宇宙是对偶的更高维时空(反德西特空间),在重力量子理论中发挥作用。

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图解:反德西特空间 来源:Wiki

到目前为止,我们发现的唯一对偶性将高维空间的特性与其低维边界联系起来:维度减一。我们能否从,比如说,十维弦理论走向像我们这样的三维宇宙并使它们彼此具有对偶性,目前尚不清楚。我们所创造的二维全息图只能编码三维信息;我们不能用二维全息图对四维信息进行编码,也不能将三维宇宙编码到一维。

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图解:对偶系统 来源:YouTube

两个不同维度的空间是对偶空间有趣的另一个原因是:在表面的低维边界上的信息比在该表面所封闭的整个空间体积内的信息要少。因此,如果你能测得表面上发生的事情,那么空间体积内发生的事情的构造也不止一种。大维空间中发生的情况构成可能不是独立的,而是与其他位置发生的情况有关。这听起来可能有些“不真实”,但如果你考虑到量子纠缠,以及测量纠缠系统中一个个体的属性就可以瞬间告诉你另一个个体的信息,这也许是有道理的。全息可能就与大自然这一奇事有关。

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对偶性是一个数学事实,也是一种有趣的物理可能性。它最终会导致深刻的见解,使我们能更好地了解我们自己的宇宙吗?也许吧。但到目前为止,我们不确定距离它的应用尚有多远,以及它是否如我们所期待的那样,连接规范场论和量子引力。这就是我们最终的希望。如果宇宙真的是一个全息图,那才是最终奥义!

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Ethan Siegel- forbes-亦谌

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