我們所在的世界只是一幅全息圖?荷蘭反擊戰:引力全息原理丨黑洞戰爭 11丨AC茂的模
黑洞互補性原理並沒有得到物理學家們的廣泛認同
尤其是在相對論物理學家眼中
它實在是太過激進了
假設量子力學的不確定性原理
在像巨型黑洞這樣一個大尺度結構上有效
似乎是牽強的
這更像是一個信不信的問題
而不是對不對的問題
因爲我們根本無法通過實驗或天文觀測
驗證這一理論
而且它甚至連數學基礎都沒有
不過在接下來的五年裏
數學物理學迎來了一個極具開創性的理論
立體的三維經驗世界只是一個幻象
這就是引力的全息原理
這一理論的出現也將改變黑洞戰爭的進程
1995年
荷蘭烏德勒芝一個佈滿運河和小房子的城市
吉拉德·特·胡福特是那裏的一名物理學教授
有人會說他是荷蘭最偉大的物理學家
在當時他還沒有得諾貝爾獎
但是所有人都相信不久後他就會得到
特·胡福特是荷蘭的國寶級人物
同許多偉大的科學家一樣
他對世界有着強烈的好奇心
不只是對物理
而且是對整個自然界
他還是一個業餘的畫家和音樂家
由於對動物在飽受城市污染的世界中
如何進化感到好奇
他勾勒出了許多想象中的未來生物
2018年
特·胡福特曾應邀來到中國進行學術報告
在他的演講中
他提出不做實驗而單靠造概念
無法真正解答諸如宇宙起源
暗物質
暗能量等當前物理學最前沿的問題
還留下一句耐人尋味的話
全球物理學家需要聯合起來
才能防止物理學被鎖死
頗有種面壁人的格局
特·胡福特是一個喜歡爭論的
逆向思維的人
他常常會這樣說
你說得對
但是我完全不同意你
他提出的引力全息原理
主導了接下來20餘年閒論的研究方向
但有意思的是
他本人並不喜歡閒論
他是這樣評價閒論的
我更願意把閒論稱爲一個模型
甚至僅是一種基於直覺的想法
而不是一個理論
畢竟一種理論應該同時能指導人們
如何用它來確認人們試圖表述的事物
就我們的情況來說
那就是基本例子
人們至少原則上應該能構想出
計算這些例子性質的原理
同時纏綿如何對這些例子做出新的預言
試想我給你一把椅子
同時又給你解釋說
椅子還沒有腿
坐板 靠背和扶手也許一會兒會送過來
不論我真正給了你什麼
我還能稱其爲椅子嗎
說回全息原理
設想一下
我們有沒有可能建造一個電子系統
來儲存三維信息呢
當然是可以的
想象用三維的微小單元
或者體像素充滿一個空間區域
因爲體像素的陣列確實是三維的
所以很容易想象這些編了碼的信息
爲什麼可以如實地表示三維世界的一塊立體的東西
這很容易讓人假設一個原理
二維信息可以被儲存在一個二維的面像素陣列中
但是三維的信息只能被儲存在三維的體像素陣列中
這個原理看起來是無可爭議的
因爲它實在太符合我們的直覺了
但直覺往往是靠不住的
實際上一張二維的全息圖
確實是可以儲存三維場景所有信息的二維面像素點陣的
最初的全息原理
是由匈牙利物理學家丹尼斯·加鮑在1947年首次發現的
全息圖是一些不尋常的照片
它們是由十字形條紋相間的相干條紋的樣式組成的
與光子的雙份干涉相類似
全息圖看起來並不像真的三維物體
它的樣式是由光在被描繪物體表面不同部分的散射得到的
在全息圖中三維的物體被分解
然後再被整合成看起來雜亂無序
但實際上是有規律的二維形式
這些信息可以被重組
重構出一個自由漂浮的真實三維圖像
全息圖像的詭異之處在於
你可以從任何一個角度觀察它
而且看起來都是立體的
我們熟悉的三維經驗世界
或者說我們的宇宙完全可以用一幅全息圖等價描述
一幅在很遠的二維表面上編碼的關於現實的圖像
換句話說
一個空間區域內
所有的東西都可以用邊界上的信息來描述
現在想象以太陽爲中心的一塊區域內的一切事物
這個區域有一個邊界
比如說奧爾特雲
它不是實際的牆壁
而是假想的數學上的外殼
包含了區域內部所有的東西
星際氣體
恆星
行星
人類以及其他的一切
在這個巨大球殼內的所有東西
都可以用殼上面微觀信息的圖像來等價描述
而且比特的數量最多不超過每plunk面積一個
這個球殼是由微小的像素構成的
每一個佔據了一個平方plunk長度
並且在區域內部發生的每一件事情
是像素化的邊界上的全息圖像
但是跟一般的全息圖的情況一樣
在遠處邊界上編碼的信息是三維原始物體信息的二維表示
如果你直接看到這些信息
它們看上去會像是雜亂無章
毫無規律的
讓一個正常人接受這種理論是非常困難的
信息分佈在空間體積中看起來是如此自然
我們很難相信自己周圍的一切
甚至此刻你手裏的手機
全部都來自一個遙遠球殼上的全息圖像
但這確實是一個解釋了隱祕
而同時又沒有用到閒論的理論了
薩斯坦德在書中寫道
我對於全息原理非常興奮
但是我也知道這肯定很難去說服別人去相信它
這個世界是一幅全息圖
我幾乎可以聽到懷疑的反應
特·胡福特以前是一個不錯的物理學家
但是現在他瘋了
那麼這幅全息圖的邊界和空間究竟是什麼樣的呢
你可以想象一個包含了太陽系的巨大封閉球面
你 你的手機
你的房子
你所在的城市
所在的大陸
地球
太陽
還有八大行星
這些信息都被編碼並儲存在這個巨大的球面上
以此類推
直到我們到達宇宙的邊緣或者無窮遠
顯然某一個特定比特信息的具體位置在哪裏
不會有一個唯一的答案
量子力學在這些問題上引進了不確定性的概念
在觀察一個粒子或者其他任何物體之前
它們所處的位置具有量子不確定性
但是一旦這個物體被實際觀察到了
那麼它的位置就確定了
隨着我們對精確性要求的提高
又特別在同時考慮引力和量子力學的時候
我們被帶向一個數學表述
它包含了像素在遙遠的二維屏幕上閃動跳躍的樣式
以及一套把二維全息圖上的信息翻譯成三維圖像的密碼
你是你所處空間的一部分
你所處的空間是太陽系的一部分
太陽系又是銀河系的一部分
如此等等
直到推廣到整個宇宙
當我們尋找全息圖的時候
它總是在刺激區域的外面
雖然全息原理極其怪異
但如今它已經成爲理論物理學的主流理論
它不再是一個量子引力的推論
而是一個理論物理學家每天工作都要用的工具
不僅可以用來回答量子引力的問題
而且也可以解釋像原子這樣的平常事物
全息原理的論證並不需要特別的數學
想象一個由假想的數學邊界所描繪的空間球形區域
這個區域能被壓縮進的質量最大的物體是黑洞
它的世界與邊界重合
區域內的物質的質量不可能超過它
不然就會溢出邊界
那麼這個區域對物質所儲存的信息數有限制嗎
繼續想象有一層包裹了整個系統的物質
這不是一個假想的殼
而是一個真實物質構成的球殼
這個由真實物質構成的球殼有它自身的質量
無論球殼是由什麼構成的
它可以被外部壓力或者來自於內部物質的引力作用壓縮
直至完全適合這一區域
通過調節外殼的質量
我們可以製造一個世界
正好與區域的邊界重合
原始的物質有一定的商
即隱藏的信息
它的值我們並不知道
但是這肯定與最終的商有關
注意這是黑洞的商
是用普朗克單位計數的面積
要完成論證
我們僅僅需要熱力學第二定律
它要求商總是沿着增大的方向發展
因此黑洞的商一定比原始物質的商要大
這樣我們就可以得出一個離譜
但又邏輯嚴謹的事實
一個空間區域能容納的信息的最大比特數
等於邊界面積上所覆蓋的普朗克面像素
這暗示着區域內的每一件事情都有一個邊界描述
邊界表面完全可以作爲一個關於三維內部世界的二維全息圖
除此之外
還存在着另一種方式來描述全息原理
如果邊界球面非常大
面上任何小的部分都可以近似作爲一個平面
在古代
人們就因爲地球過於巨大而誤認爲它是平的
舉個更極端的例子
假定邊界是一個半徑爲幾百億光年的球面
那麼從球面內部離邊界只有幾光年的地方來看
整個球面似乎是平的
這意味着在離邊界幾光年這段區域內發生的事情
可以近似看作是一個平坦的全息圖像
但是這種全息圖最大的不同是
它是量子力學的
它的閃爍帶有量子系統的不確定性
所以三維圖像會有量子晃動
我們都是以複雜的量子方式運動的信息構成的
但是這些信息卻位於幾百億光年外
甚至無限遠的邊界上
沒有什麼比這個更缺少經驗和直覺了
釐清全息原理的頭緒
是物理學家在發現量子力學後面臨的最大挑戰
然而特·胡福特的這篇關於全息原理的論文
並沒有得到廣泛的關注
部分原因在於他的題目《量子引力中的維度約化》
維度約化這個術語是一個物理中的專業術語
與特·胡福特所講的意思截然不同
而薩斯坦德顯然更懂得標題黨的傳播學意義
他爲自己相同論點的論文取名爲《世界是一幅全息圖》
至此黑洞戰爭進入轉折階段
面對互補型原理和全息原理
霍金將如何應對呢