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世界也许并不真实?全息理论:宇宙是一个巨大的投影

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我们眼前这个立体、鲜活、可以触摸和呼吸的世界,会不会只是一层被"投"出来的影像?如果宇宙的全部信息其实并不藏在它的内部,而是被写在一张更低维度的"底片"上,那么我们所谓的真实,究竟意味着什么?

带着这样的疑问回过头去看,就会发现有人早已提出这样一个可能:我们看到的整个三维世界,或许只是某个二维表面的投影,宇宙真正的信息可能只存在于一个更低维度的边界上。

乍一听这个说法非常离谱,毕竟我们明明生活在一个三维空间里,上下前后左右一切都是真实的,人是立体的,行星是立体的,整个宇宙毫无疑问也是立体的。但提出这个想法的并不是脑洞大开的科幻作家,而是真真正正的物理学家。



故事要从我们熟悉的黑洞讲起。上世纪70年代,人们逐渐意识到一个奇怪的问题。

按照经典的广义相对论,黑洞是一个极其简单的东西,描述一个黑洞只需要三个参数:质量、角动量、电荷。也就是说,不管掉入黑洞的是什么东西,恒星也好,行星也罢,哪怕是一个人、一本书,最后得到的黑洞看起来都差不多。

这便是著名的无毛定理。这里的"毛"指的就是除质量、角动量、电荷外的其他信息。



这个定理乍一看没什么问题,但如果把量子理论也考虑进来,问题就来了。在量子理论里,一个系统包含的信息不会凭空消失。

把一本书烧掉,纸和墨会变成灰尘和气体,看起来书是没了,但假如能记录构成这本书的所有分子的位置和运动状态,那么原则上这本书是可以被复原的。只是人类目前做不到,但理论上是可行的,因为信息并没有消失,它只是被打散了。

这被称为信息守恒。信息守恒可以认为是比任何定理和定律都要更加底层的一种原理。



信息守恒的存在为黑洞理论带来了一个巨大的麻烦。无毛定理表明,物体只要进入黑洞,它之前的信息就彻底丢了。

但从量子层面看,一个系统的信息是守恒的,不可能丢。那么掉入黑洞的物体,它的信息到底还在不在?如果在,又会在哪儿呢?

我们知道信息量通常可以用熵来表示。如果黑洞的信息保存在黑洞内部,那黑洞的熵应该会和黑洞体积成正比。



但计算结果表明,黑洞并不是我们想的那样,它的熵不是和体积成正比,而是和它的表面积成正比。首先发现这一点的,是惠勒的学生雅各布·贝肯斯坦。

正是他提出了黑洞熵这一概念,也为日后的黑洞热力学以及全息原理奠定了基础。

为什么一个三维物体的信息只和它的二维表面有关呢?这个结果一度让人十分困惑。



它意味着掉入黑洞的物体,只有质量、角动量、电荷这些基本信息进入了黑洞,构成物体的所有量子信息都保留在了黑洞的视界面上。黑洞内部就像一个混沌的时空,那里没有任何我们熟悉的东西,而全部完整信息都被封存在了那层看不见的边界之上。

至于霍金辐射可能导致信息再一次丢失,也就是所谓的黑洞信息悖论,那是另一个更棘手的问题了。

如果这个奇怪的现象只是黑洞特有的,那问题倒还不大。但后来有人提出了一个更激进的猜想:有没有可能不只是黑洞,我们所在的整个宇宙本身也是如此?



这个想法就是全息原理最初的雏形。说到"全息",大家首先想到的多半是全息影像——用特殊的方式把三维物体的光影记录在二维底片上,之后再用激光照射底片,就能还原出立体影像。

把这个概念推广到整个宇宙,就意味着我们看到的这个三维世界,或许只是某种二维表面的投影。当然,这里投出去的不仅仅是光影,而是与完整信息一一对应的整个实体。

就像玻尔的互补原理,你不能说谁真谁假,无论三维实体还是二维信息,其实指向的都是同一件事。



只是,宇宙毕竟不是黑洞,凭空这样一句"依葫芦画瓢",很难让人信服。所以最初,全息宇宙的说法只停留在直觉层面。

直到上世纪末,物理学界才开始认真对待它——因为它牵扯到了迄今为止仍困扰物理界的终极难题:量子引力。

1993年,来自荷兰的理论物理学家杰拉德·特·胡夫特提出了一个构想:一个空间区域内的所有物理信息都可以完整地编码在它的边界上,就像三维物体可以被记录在二维全息底片里一样。这便是最早的全息原理。



1995年,弦论创始人之一、美国理论物理学家萨斯坎德在《数学物理杂志》上发表了一篇论文,名字非常直白,就叫《世界如同一张全息图》。在这篇论文中,萨斯坎德首次将最前沿的弦理论引入了全息原理。

在胡夫特和萨斯坎德的基础上,1997年,阿根廷理论物理学家马尔达希纳提出了著名的马尔达希纳对偶,首次为全息原理建立了精确的数学描述——在反德西特空间中的弦论,与边界上无引力的共形场论完全等价。所谓反德西特空间,是一种有着负曲率的弯曲时空。

它虽然无限大,但在数学上存在一个无穷远的边界,这个边界可以认为就是反德西特空间宇宙的表面。在该宇宙内部引力正常存在,并且可以通过弦论来描述;但对于宇宙的表面,那里却是一块没有引力的区域,因此它可以被普通的量子场论所描述。



关键的是,这个宇宙的内部和它的二维表面是一一对应的。比如你正在吃一个苹果,怎么咬、怎么嚼、苹果什么味道、细胞怎么反应、光子怎么反射,所有发生的一切都记录在宇宙的二维边界上。

不同的是,那里并没有苹果,更没有你正在吃苹果,有的只是一堆不停变化的量子信息。

顺着这个思路,就很容易联想到另一个更古老的思想实验——1981年,哲学家希拉里·普特南提出了"缸中之脑":如果把一个人的大脑放进营养液里,用超级计算机连接它的神经末梢并给出恰当的刺激,这颗大脑就会坚信自己活在一个完整世界里。



全息原理与之相似之处在于,它同样把"体验"和"信息载体"彻底分开:真正决定一切的,也许并不是我们感官所处的那一层。

这种"我们可能不在真实之中"的联想,在当代科技界也颇有市场。埃隆·马斯克就曾在一次采访中说,我们生活在真实世界的概率大约只有十亿分之一,整个宇宙也许只是虚拟现实模拟出来的游戏,我们只是其中的NPC。

这种说法当然过于极端,但换成物理学的语言,其中的疑惑并不完全离谱——比如宇宙的极限速度是每秒约30万公里的真空光速,可这个速度放在数百亿光年尺度的宇宙里几乎慢得可怜,很难不让人怀疑:光速是不是这套底层"运算"的上限?



而量子力学里的叠加态,会不会正像是为了节省"渲染算力"、避免数据过载而设计的偷懒机制?

回到严格的物理讨论上来。现在的问题是,我们的宇宙并不是有着负曲率的反德西特空间。

根据各种观测证据,现实中的宇宙是平直的,时空曲率趋近于零,未来它甚至有可能会趋向于拥有正曲率的德西特空间。也就是说,马尔达希纳对偶虽然可以精确描述全息宇宙,但他针对的只是反德西特空间。



对于我们所处的这个真实宇宙,目前还没有与之对应的全息理论。

不过,尽管如此,全息原理的思想本身还是很有用的。比如在处理某些量子引力问题时,原本很难处理的引力问题,现在可以通过边界上的量子场论来解决。

在过去的二十多年里,人们用这种方法计算了大量结果,很多都和预期的完全一致。这让越来越多的人相信,这种对应关系也许并不是单纯的数学上的巧合,而是在指向宇宙某种深层的结构。



虽然目前来看,我们这个宇宙并不是所谓的全息投影,但也可能只是我们还没有找到对应的理论。倘若未来真的发现了针对德西特空间的全息原理,那是否意味着我们眼前的这个世界,在某种意义上真的是一种全息影像呢?

真正令人不安的或许并不是"世界不真实"这五个字,而是当物理走到极处,我们不得不承认:所谓真实,也许只是被完整记录、被精确计算之后再"呈现"给我们的一种体验。信息才是最坚硬的东西,而三维世界只是它的一次显影。

也许我们无需为此焦虑,就算眼前的一切真是某种更低维度上的投影,苹果依旧甜,星空依旧辽阔,人依然会为一个念头而心动,这份"被投出来"的体验,本身就已经足够真实。

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