生活在全息宇宙中是一種什麼樣的體驗？

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本文授權轉載自未來論壇

如果有朋友告訴你，我們其實都生活在一個巨大的全息圖像中，你或許會讓他閉嘴，別再信口開河。

然而不可思議的是，一些物理學家們也抱持同樣的觀點：我們所認知的三維宇宙或許只是一個巨大的二維投影。

這聽起來無異於天方夜譚。在人類的最基本認知中，世界的3D特質就像時光一去不復返一樣顯而易見。然而有科學家相信，如果我們熟知的每個三維物體都只是二維世界信息的微小亞原子比特的投影，那麼愛因斯坦的相對論與量子力學間的矛盾便不復存在了。

「如果真是這樣，那將是多麼重大的新發現。」維也納科技大學的理論物理學家Daniel Grumiller說道。宇宙全息理論認為，某些三維空間可以從數學上減少為二維投影，而我們的宇宙正是如此。此前，Grumiller與物理學家Max Riegler、Arjun Bagchi和Rudranil Basu共同發表了研究成果，第一次為宇宙全息理論提供了證據。

「20年前，如果你問別人世界是幾維的，幾乎所有人都會回答『三個空間維度加上時間。』宇宙全息理論則意味著世界的維度取決於看問題的角度。」Grumiller稱。

20多年前，宇宙全息理論作為對霍金著名的信息悖論（即黑洞似乎會吞噬信息，然而根據量子理論這點又不成立）的解決方案被提出。然而這一理論在數學上並非是針對黑洞所設計的。此後數年，理論物理學家Juan Maldacena論證了在一類叫作反德西特空間的理論空間中，全息理論成立。我們的宇宙在宇宙標度上來說相對平坦，而數學家們描述的反德西特空間向內彎曲，呈鞍型。

「反德西特空間與我們的宇宙並無直接關聯，但它使我們得以完成用其他方法非常困難甚至不可能執行的演算。」Grumiller解釋道。

在這一理論空間中，Maldacena證明了引力理論和量子場論這兩組方程可以完美地彼此映射。這種一致性完全出乎人意料，因為引力是在三個空間維度中被描述的，而量子場論只需要兩個維度。在二維和三維中，物理定律產生了完全一樣的結果，這表明了反德西特空間的全息特質。

「這是第一個證明了全息是如何運作的例子。」Grumiller說道。「但既然我們的宇宙在很大程度上幾乎是扁平的，並不是反德西特空間，研究全息理論對扁平宇宙也是否適用就很有趣了。」

為了證明我們的宇宙能夠被視作一幅全息圖，物理量必須用扁平空間中的量子場論和引力理論來計算，而結果也必須相符。Grumiller決定看看量子力學中的一項主要性質——量子糾纏是否能通過引力理論得到複製。

當兩個量子粒子糾纏時，即使相隔萬里，它們也無法被獨立描述，而是會形成一個單一的量子「客體」。一個量子系統的糾纏程度可以通過糾纏熵來描述。數年的潛心工作後，Grumiller及其團隊證明了對於我們的宇宙空間而言，在引力理論和量子場論中計算出的糾纏熵數值完全一樣。「這一計算驗證了我們的假設，全息理論在扁平空間中也可以實現。」團隊中的Riegler在新聞發布會上表示。「這是這種一致性在我們宇宙中成立的證據。」

如果宇宙全息理論確實能夠描述我們的宇宙，它就可以幫助科學家們解決相對論物理學與量子物理學之間的眾多矛盾之處，包括霍金的黑洞信息悖論。同時，它也會為科學家們指明一條以相對簡單的引力方程解決某些非常困難的量子問題的道路。但在百分之百確定我們生活在《黑客帝國》里那種矩陣之前，還有許多工作需要完成。

「我們是利用3D引力理論與2D量子場論進行的這一演算，但宇宙實際上是三個空間維度加上時間。下一步就是將這些因素進行概括，再納入一個更高的維度。此外，在引力理論與量子場論間還有許多其他的量必須吻合，對這些一致性的檢驗尚在進行中。」

除了理論因素之外，對現實的全息本質進行實驗性觀察則全然是另外一件事。美國能源部費米實驗室的物理學家們正在對此進行嘗試。

費米實驗室例子天體物理學中心主任Craig Hogan推測，我們的宏觀世界如同一個由類似像素的亞原子信息微粒構成的「四維視頻顯示器」。在我們的宏觀肉眼中，身邊的每樣東西看起來都是三維的。然而把臉靠近電視機屏幕會讓像素清晰起來，假如我們在亞原子水平上深深凝望物質，全息宇宙的點陣圖或許也會浮現出來。

如果對於空間的這種描述是正確的，那麼，就像所有電腦一樣，宇宙的數據存儲和信息處理能力也是有限的。這種極限將會有明顯的特徵，即我們可以測量到的「全息噪音」。

Hogan認為，假如我們真的生活在全息圖中，最基本的效應就是現實的信息量是有上限的。就像用WiFi在線看電影，如果帶寬不夠，畫面就會出現延遲和模糊。這正是Hogan的實驗室想要測量的。他們使用的儀器——全息儀基本上就是個巨大的強力激光指向儀。全息儀由一對激光干涉儀組成，通過一千瓦激光疊加顯出的波長干涉來進行測量。科學家通過分析，探測是否有全息噪音，以此來驗證全息理論。

現在，我們只能等待著科學家埋頭苦心研究，直到有朝一日確定我們的生命是否只是一場構思精妙的夢幻泡影。但同時，我們還將面臨一個更大的問題：這段啟示錄會如何影響我們自身？

「相關知識不會對我們的日常生活造成衝擊，正如了解宇宙大爆炸和其他星系的相關知識不會改變我們的日常生活一樣。」Grumiller評價道。「然而也正如大爆炸深刻地改變了我們對宇宙的看法，宇宙是一幅巨大的全息圖也會成為一種意義深遠的觀點。」

如果我們熟知的行星、星團和星系只不過是宇宙點陣圖上的一個個量子點，我們在《模擬人生》遊戲里構築的世界難道不是和我們認知里的宇宙一樣真實嗎？目前，或許我們唯一可以肯定的是：如果宇宙只是一個巨大的模擬，它大約已經無限接近於完美了。在這個意義上，活在矩陣中似乎也不像聽起來那樣悲慘吧。

資料來源：Motherboard、Nautilus、Scientific American、Soul Science

編譯：未來論壇 商白

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