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1、世界是一张全息图世界是一张全息图小红猪小分队 发表于 2009-03-05原文刊载新科学家2009 年 1 月 15 日译者：王某人我们所处的三维世界有可能是宇宙的终极幻象吗？Marcus Chown 称一台德国探测器捕捉信息的分析结果暗示：人类的存在都只不过是投影。驾驶在德国汉诺威巿南部的乡村，容易错过的景点莫过于引力波探测计划 GEO600 所在地。它的外貌并不起眼：角落里建着一栋配套的方形临时建筑，两条覆盖着波纹钢的沟渠以适当的角度向外延长，沟渠里则安装着长达 600 米的探测器。在过去的 7 年间，这项德国计划一直在寻找引力波，一种由像中子星和黑洞这样超密度天体的引起时空波动。虽然目前
2、为止还未有发现任何引力波，但它可能已在无意中获得了半世纪以来物理学中最重要的发现。几个月来，GEO600 的研究人员一直对这个巨型探测器中挥之不去的噪音困扰不已，直到某天，一位研究员灵光闪现，才对噪音的存在作出了合理的解释。事实上，在这位研究人员在知道他们测得噪音之前就已经预测了它的存在。而根据一位工作在伊利诺斯州巴达维亚的费米实验室粒子物理分部的物理学家 Craig Hogan 的推测，其实 GEO600 的研究人员已经无意中发现时空的极限，处于这一极限的时间和空间的行为更像粒子，而非爱因斯坦所描述的处于平滑的连续状态，好比一幅报纸图片放大到一定倍数时你就会发现它是由像素点组成。“看起来好像
3、探测器正遭受微观量子振动的袭击”Hogan 解释道。如果这都让你无动于衷的话，那么已被任命为费米实验中心粒子天体物理学主任的 Hogan的这句话应该会让你大吃一惊：“假如 GEO600 得到的结果和我的推测吻合，那么可以判断，我们都生活在一幅巨大的宇宙全息图中。”这一观点听起来荒谬，但却是我们对某些事物理解的自然延伸，这些事物中包括黑洞以及拥有坚实理论基础的事件。同时，这一观点也给物理学家努力研究宇宙在最基本的层次上的运动状态时提供了十分有用的帮助。信用卡和纸币上的全息图印刻在平面的塑胶膜上，当光线从全息图上反射时便会产生立体图像。上世纪九十年代，物理学家 Leonard Susskind 和
4、诺贝尔奖获得者 Gerard t Hooft 共同提出：全息原理或许能应用于整个宇宙，我们的日常生活体验可能就是一幅来自遥远地区二维平面反射的全息投影图。GEO600 的激光是否已经证明时空的基本模糊性？的激光是否已经证明时空的基本模糊性？全息原理让人难以接受。难以想象的是宇宙的另一边正发生的事情控制着你起床、刷牙和阅读这篇文章等等行为。虽然理论家有足够的理由相信在很多方面全息原理的存在是真实可信的，但是却没有人知道人类生活在全息图中这一假设到底意味着什么。Susskind 和 Hooft 这一非凡观点的灵感来源于以色列耶路撒冷希伯莱大学的 Jacob Bekenstein 和剑桥大学 的 S
5、tephen Hawking，后两者对黑洞的研究具有开创性的贡献。七十年代中期，Hawking 证明黑洞并非完全“黑不见底”，而是缓慢地释放出辐射，如此导致的结果是黑洞最终蒸发消失。然而，谜题随之出现：称之为霍金辐射的热辐射本身并不携带黑洞内部的任何信息，当黑洞消失之后，坍塌为黑洞的恒星的全部信息也随之消失，如此推导的结果与信息永不消失这一被广泛接受的原理相悖。对于解决这个“黑洞信息悖论”，Bekenstein 的研究提供了重要的线索，他发现黑洞熵值，也就是黑洞的信息容量，正比于其“视界”表面积，视界是黑洞在理论上的外表面，它笼罩着洞口，标出了界限，任何逾越这道界限的物质和光都无法从中逃脱。理
6、论家由此证明微观量子在视界的波动会编码黑洞内部的信息，故当黑洞蒸发消失时信息并没有离奇失踪。重要的是，此结论深化了对物理学的理解：坍塌为黑洞的恒星的三维信息能够完整地被编码在黑洞的二维视界上，这与将物体的立体图像编码在二维的全息图上并无不同。Susskind 和 Hooft 进一步解释到：宇宙作为一个整体，同样有其视界，来自视界另一面的光线在宇宙 137 亿年的寿命期间内是无法到达地球的。另外，多个弦论学家，尤其是来自普林斯顿高等研究院的 Juan Maldacena 的工作已经证明，以上的研究方向是正确的，并证明了物理规律在设想的形似普林格薯片的五维宇宙中与在四维空间中毫无二致。根据 Hog
7、an 的推断，我们对时空的认识会因此得到根本性的改变。理论物理学家长期以来都认为量子效应会在最小的尺度上引起时空的严重扭曲，在这个倍率上，时空的基本结构趋向粒子，并且是由类似像素、但是比质子还小一千亿亿倍的微小单元构成的。这个单元的长度称作普郎克长度，为 110-35米，如此微小的长度在任何实验条件下都无法实现，以至于没人可以想象能够亲眼看到组成时空的粒子。“看似量子的剧烈运动会衍生横向的振动，难以置信的是实验捕获了由这些振动引起的噪看似量子的剧烈运动会衍生横向的振动，难以置信的是实验捕获了由这些振动引起的噪音。音。”直到 Hogan 意识到全息原理会给世界带来翻天覆地的变化时他才确认自己的推
8、断是正确的。如果时间和空间都是由粒子构成的全息图，那么你可以把宇宙想成一个球体，它的外表面覆盖着普朗克长度见方的正方形，每一片正方形都包含一比特的信息。根据全息原理，宇宙外表面包含的信息数量必须与宇宙内部所容纳的比特数相符。然而考虑到球形宇宙的体积大大地大于它的外表面，要实现这一点可能吗？Hogan 意识到要实现宇宙内外比特数一致，则组成宇宙内部物质的粒子直径必须较普朗克长度长，Hogan 用另一种说法解释到：一个全息的宇宙是一个模糊的宇宙。对于任何致力于证明时空最小单元的人这都是个利好消息。“虽然与设想的情况相反，但它使在现有的实验条件下观测量子的微小结构成为可能。如果你生活在全息图中，你就
9、能通过测量宇宙的模糊程度来得知这一点。”Hogan 如是说。所以既然普朗克长度小到无法实验测量，那么就测量其大到近 10-16米的全息投影。当 Hogan 初次意识到这一点时，他还在犹豫是否存在这样的实验能够探测到时空的全息模糊性，然后 GEO600 进入了我们的视线。类似于 GEO600 这样的引力波探测器从本质上讲都是非常灵敏的标尺。它的工作原理如下：当引力波通过 GEO600 时，它就会引起空间在一个方向伸展和另一个方向收缩的交替运动，为检测空间运动的存在，GEO600 会发射单一的激光束并使之透过称为分束器的半镀银镜，此后激光被分为两束，分别进入装置中 600 米长的互相垂直的两臂，激
10、光经多次反射后回到分束器并生成干涉图，干涉图上亮区表示光波相互叠，暗区表示光波相互抵消，亮区和暗区的任何移动则表明两臂的长度已经发生了改变。“实验的关键在于，标尺对远小于质子直径长度的变化非常灵敏。”Hogan 说。那么引力波探测器有可能探测到粒子状时空全息投影吗？Hogan 认为全世界五个引力波探测器中，英德合作的 GEO600 应该是最能满足他的要求。他预测到，如果实验的分束器受到时空量子波动的冲击，那么检测的结果就会显示出来（物理评论 D，vol 77, p 104031）。“无规则振动产生的噪音会混合在激光信号中。”Hogan 曾在六月份将自己的预测发送给 GEO600 的研究团队。“
11、不可思议，我发现实验装置那时检测到莫名的噪音。”Hogan 说。工作在德国波茨坦市马克斯.普郎克重力物理学研究院和汉诺威大学的 GEO600 项目负责人 Karsten Danzmann 承认，额外噪音的频率在 300 到 1500 赫兹之间，已经困扰了项目团队有好长一段时间。Karsten Danzmann 回复了 Hogan 的来信，并给他发送了一幅噪音的波谱图。“跟我的预测如出一辙，就好像是分束器在作额外的振动。”Hogan 说。然而，即便是 Hogan 也不能断定 GEO600 已经发现证据证明我们生活在一个全息的宇宙，现在还为时尚早。Hogan 认为：“噪音源可能平凡无奇。”引力波探
12、测器极其灵敏，所以操作人员必须倍加细致才能排除噪音的干扰。他们必须考虑到头顶云层的流动、远处车辆的往来、地壳的震动和其它各式各样可能遮蔽真正信号的干扰源。“日常的灵敏度改进操作往往不可避免地产生噪音，我们的工作还包括鉴别噪音来源、消除其影响，然后继续跟踪另一噪音源。”Danzmann 说。由于目前为止没有明确的噪音源能解释 GEO600 的噪音，故 Danzmann 还谈到：“我认为当前情况并不乐观，但不是真正令人担忧。”GEO600 团队曾一度以为 Hogan 在意的噪音是由于分束器上的温度波动，然而计算结果表明温度波动产生的噪音顶多占三分之一。Danzmann 提到会对 GEO600 进行
13、若干项有计划的升级以提高其灵敏度，并消除几种可能的噪音源，他说“如果在采取这些措施之后，情况仍得不到改善，那我们就不得不重新思考了。”对于引力波研究者来说，如果 GEO600 确实发现了源于时空量子波动的全息噪音，那么不得不说这是一把双刃剑：一方面，噪音会阻碍团队对引力波的探测，另一方面，它又代表着一项更加重大的发现。如此情形并非史无前例。研究者们曾为寻找质子衰变时放出的辐射建造巨型探测器，结果探测器却没有找到这样的辐射。，但它们发现了中微子会在不同形态之间相互转换，应该说此发现尤为重要些，因为我们可以从中得知宇宙为何是由物质而非反物质组成( 新科学家, 2008 年 4 月 12 日, p
14、26 )。如果一台设备是建来探测天体物理学中引力波源那样大的事物，但一个不留神却发现小的不能再小的时空粒子，那可真是适得其反。“身为一名基础物理学家，在我看来，发现全息噪音要有趣得多。”神奇魔法眼神奇魔法眼三维图像使用说明三维图像使用说明 将图像置于鼻子上方正放，在你看来它应该是模糊不清的，将图像置于鼻子上方正放，在你看来它应该是模糊不清的，然后凝视画面想象自己能把它看穿，再缓慢将图像远离面部直到你看出深度，现在稳住你然后凝视画面想象自己能把它看穿，再缓慢将图像远离面部直到你看出深度，现在稳住你的手，尽量不要眨眼，隐藏的图像就会神奇般地出现在眼前，而且你注视的越久图像越清的手，尽量不要眨眼，隐
15、藏的图像就会神奇般地出现在眼前，而且你注视的越久图像越清晰。晰。微小的代价微小的代价 尽管 Hogan 的判断正确，而且全息噪音的确会影响 GEO600 对引力波检测的灵敏度，但Danzmann 还是乐观的，他说：“即便是噪音限制了 GEO600 在某些频率段的灵敏度，但相对于能够首次发现时空的粒子性，这只是微小的代价。我们应当高兴，毕竟在很长一段时间内这都会是极其重要的发现之一。”然而 Danzmann 对 Hogan 的想法依然持谨慎态度，并认为相关理论工作有待跟进，他说：“这顶多只是个新鲜有趣的想法，还构不上真正的理论。”Danzmann 和很多人都认为现在做出确切的说明还为时尚早，“至
16、少早了一年，让我们走着瞧。”Danzmann 说。谜题存在的时间越久，人们的建造专属设备详细调查全息噪音的动机就越强烈。来自西雅图华盛顿大学的 John Cramer 认为，Hogan 的预测能跟 GEO600 项目实验联系起来是一件“侥幸”事件，他说：“事情再清楚不过了，如果他们有意识地专注于全息噪音的测绘、特征性质的研究和相关的实验现象，那么实验结果会好得多。”根据 Hogan 所说，有一种可能是利用一种叫原子干涉仪的设备来探测全息噪音，其原理与激光探测器相同，但使用的光束由超冷原子制成，而非激光。因为原子波波长远小于光波波长，所以比起引力波探测器，原子干涉仪的体积明显缩小，价格也更便宜。那么如果全息噪音确实被发现了又意味着什么？Cramer 把它比喻成 1964 年新泽西州贝尔实验室天线接收的未知噪音，此噪音结果被证明是大爆炸后的馀晖：宇宙微波背景辐射，他说：“这一发现不仅使 Arno Penzias 和 Robert Wilson 获得诺贝尔奖，而且证实了大爆炸的存在，从此开辟了一片新的宇宙学领域。”Hogan 说得更具体：“忘记微量情愫（Quantum
