柏拉圖在他的名著(zhù)《理想國》中曾經(jīng)用一個(gè)“洞穴寓言”來(lái)闡述他對于真實(shí)本質(zhì)的理解：一群被迫生活在洞穴里的人，無(wú)法走出洞穴，于是只能通過(guò)外界的事物留在洞穴中一面墻壁上的影子來(lái)了解外部世界。他寫(xiě)道：“所謂真實(shí)，無(wú)非是事物的陰影?！?/span>
人類(lèi)對于宇宙的理解，究竟怎樣才可能盡量接近真實(shí)？我們所生活的宇宙是否存在一種最基本的“真實(shí)”？或者換一個(gè)方式發(fā)問(wèn)，人類(lèi)是否有可能最終理解到宇宙的本質(zhì)？目前可能還沒(méi)有人能回答這個(gè)問(wèn)題，人類(lèi)對于宇宙本質(zhì)的認識也一直在變化中，每一次進(jìn)步和改變，都代表著(zhù)人類(lèi)對于“真實(shí)”的意義理解的加深。
荷蘭理論物理學(xué)家杰拉德·特·胡夫特
在牛頓時(shí)代，人類(lèi)認為宇宙是一個(gè)精確設置的、永不停歇的完美機器，日月星辰按照牛頓力學(xué)的支配在絕對空間與絕對時(shí)間中運行。進(jìn)入20世紀后，隨著(zhù)量子力學(xué)和宇宙學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)對于宏觀(guān)和微觀(guān)世界運行的規律有了更深的理解。而到了20世紀90年代，一種聽(tīng)上去玄之又玄，甚至聳人聽(tīng)聞的理論開(kāi)始在理論物理學(xué)界流行，這種理論盡管在目前還沒(méi)有任何可靠的實(shí)驗證據，但它已經(jīng)吸引了越來(lái)越多物理學(xué)家的關(guān)注，也許它可以使人類(lèi)對宇宙的理解更加接近“真實(shí)”，而當我們重讀柏拉圖的洞穴寓言，可能會(huì )感覺(jué)到它比我們想象中更直接描述了我們對于宇宙本質(zhì)的理解。也許，我們真的只是一群生活在洞穴中通過(guò)外部事物的投影來(lái)認識整個(gè)宇宙的人，或許，人類(lèi)只是更真實(shí)的自己的“投影”？這個(gè)讓人越思考越感到糊涂的理論就是全息原理。
全息原理是一個(gè)試圖描述宇宙本質(zhì)的物理學(xué)理論，它聽(tīng)起來(lái)玄妙且神秘，但簡(jiǎn)單說(shuō)，這個(gè)理論認為，我們所生活和觀(guān)察到的宇宙中所包含的所有信息，實(shí)際上只是在宇宙空間邊界上的信息的一種“全息投影”，這似乎符合柏拉圖關(guān)于事物本質(zhì)的判斷，而這個(gè)“洞穴寓言”聽(tīng)起來(lái)也就不僅只是一個(gè)寓言故事。
說(shuō)起全息原理的起源，還要從物理學(xué)家關(guān)于黑洞性質(zhì)的討論說(shuō)起。在20世紀70年代，理論物理學(xué)家們對于黑洞的熱力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了疑問(wèn)。眾所周知，當一個(gè)接近黑洞的物體被黑洞所吞噬，那么，這個(gè)被吞噬的物體就永遠也無(wú)法逃出黑洞，同時(shí)，它自身所攜帶的“信息”也就永遠消失了，這與量子力學(xué)中信息不滅的理論相違背，也就構成了一個(gè)“黑洞信息悖論”。同時(shí)，黑洞吞噬掉一個(gè)物體后，其自身的質(zhì)量增加，它的“視界”的面積也會(huì )相應增大，如果它的熵值沒(méi)有相應增大，則違背了熱力學(xué)第二定律。這兩個(gè)理論問(wèn)題隨后相繼被解決，史蒂芬·霍金提出了“霍金蒸發(fā)”理論，認為黑洞會(huì )在它的視界周?chē)蛲獍l(fā)射輻射，這樣被它吞噬掉的物體的信息并沒(méi)有消失，而是會(huì )重新回到宇宙中。耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的理論物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）則提出了一個(gè)大膽的假說(shuō)，認為黑洞的熵值與其視界的表面積成正比關(guān)系。
物理學(xué)家克雷格·霍根
這兩個(gè)理論解決了黑洞的信息悖論和熱力學(xué)問(wèn)題，同時(shí)也說(shuō)明，被黑洞吞噬掉的三維物體，它們的信息并未永久消失，而是被儲存在了黑洞視界的二維的表面。它給理論物理學(xué)家帶來(lái)了啟示，在1993年，荷蘭理論物理學(xué)家杰拉德·特·胡夫特（Gerard't Hooft）把這個(gè)關(guān)于黑洞的理論引申到了宇宙學(xué)中，提出全息原理——與黑洞類(lèi)似，宇宙中的信息只是在宇宙空間邊界所存儲的信息的投射。同樣在1993年，弦論的創(chuàng )始人之一、斯坦福大學(xué)的理論物理學(xué)家倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）從弦論的角度出發(fā)，也得出了相似的結論。
全息原理一提出自然引起了巨大爭論，因為這涉及人類(lèi)對于“真實(shí)”的最根本意義的理解，人類(lèi)如何去理解自己的存在實(shí)際上是某種信息的“投射”？另外，全息原理除了給人們的觀(guān)念造成巨大沖擊外，是否也像其他的很多宇宙學(xué)理論或是假說(shuō)一樣，只是一個(gè)優(yōu)美的數學(xué)形式，而永遠都無(wú)法通過(guò)實(shí)驗證明？對于全息原理來(lái)說(shuō)，情況并非如此，有些物理學(xué)家認為，這個(gè)玄而又玄的理論有可能通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行檢測。
在芝加哥大學(xué)和費米實(shí)驗室工作的物理學(xué)家克雷格·霍根（Craig Hogan）認為，在地球上進(jìn)行引力波探測的精密儀器有可能接收到證明全息原理成立的證據，他稱(chēng)這種證據為“全息噪音”，他把目光投向了在德國漢諾威南部的一個(gè)探測引力波的精密實(shí)驗GEO600，那里的科學(xué)家們希望通過(guò)GEO600實(shí)驗的兩個(gè)相互垂直分別長(cháng)達600米的探測臂來(lái)探測在宇宙中質(zhì)量和密度極大的星體造成的時(shí)空微小的褶皺——引力波?；舾J為，如果全息原理成立，那么，時(shí)空將呈現出比物理學(xué)家之前想象的更加粗大的“顆?；?，而這種時(shí)空性質(zhì)可能會(huì )給引力波的探測結果增添一些噪音?；舾窃贕EO600的探測結果中發(fā)現了此前他預言會(huì )存在的噪音，2008年5月，他在《物理評論D》（Physical Review D）雜志發(fā)表論文《幾何學(xué)中量子漲落的測量》（Measurement of Quantum Fluctuation sin Geometry）報告了這個(gè)發(fā)現。但即便如此，就連霍根自己也不敢承認，這就是全息理論成立的切實(shí)證據，而且人類(lèi)在宇宙中的其他觀(guān)測實(shí)驗也還沒(méi)有找到類(lèi)似的“全息噪音”，現在判斷全息原理正確與否，似乎還為時(shí)尚早。
最近一篇在網(wǎng)上發(fā)表的論文預印本讓全息理論又成為理論物理學(xué)家們討論的焦點(diǎn)。2013年11月，日本理論物理學(xué)家正德花田、百武良文、石木五郎和西村俊合作發(fā)表了論文《在計算機中對量子黑洞的全息描述》（Holo graphic Description of Quantum Black Hole on a Computer），在這篇論文中他們通過(guò)計算機模擬來(lái)檢驗全息原理，盡管這并不屬于嚴格意義上的物理學(xué)實(shí)驗，但是這個(gè)計算機模擬的結果卻提供了可能是到目前為止對于全息原理最有力的支持。
這篇論文提供的計算機模擬結果，符合理論物理學(xué)家胡安·馬爾德賽納（Juan Maldacena）在1997年根據全息原理提出的一個(gè)設想：引力是由宇宙中更高維度的極其微小纖細而且不停震動(dòng)的“弦”所引發(fā)，而這種無(wú)所不在的弦，則是由一種更為簡(jiǎn)單、平坦且不存在引力的宇宙在我們目前所觀(guān)測到的宇宙中的一種投射。它提供了一種可能在量子力學(xué)和廣義相對論這兩種極為基本且重要但是目前互不相容的物理學(xué)理論之間相互轉換的方式，它通過(guò)全息原理的方式使量子力學(xué)和廣義相對論可以相互融洽，并且從全息原理的角度解釋了引力的來(lái)源，而這正是全世界物理學(xué)家幾十年來(lái)追尋的結果。
想要驗證全息原理，物理學(xué)家當然不可能只依靠計算機模擬的結果，必定還需要更多嚴格的實(shí)驗檢測。全息原理是否有可能被證實(shí)，成為一個(gè)最終結合了量子力學(xué)與相對論的物理學(xué)原理，我們還不得而知，但是全息原理的提出，已經(jīng)給人們帶來(lái)了足夠多的震撼以及對于真實(shí)的反思——如果我們所觀(guān)測到的宇宙只是一種更為真實(shí)宇宙的“全息投影”，那么我們對于真實(shí)的定義及其界限的設定又該如何修改？
僅僅從物理學(xué)發(fā)展的角度來(lái)考慮，我們也可以看到，要想實(shí)現量子力學(xué)和廣義相對論這兩種理論的統一，物理學(xué)家們很有可能將從對黑洞性質(zhì)的研究中尋找突破口。通過(guò)對一種目前僅在理論中存在而無(wú)法進(jìn)行實(shí)際觀(guān)測神秘天體的討論來(lái)加深人類(lèi)對于宇宙和自身的理解，這可能是只會(huì )出現在理論物理學(xué)領(lǐng)域的一種奇觀(guān)了。
聯(lián)系客服
