2009年11月1日

世界是一張全息圖

世界是一張全息圖

小紅豬小分隊發表於2009-03-05 3:00

原文刊載《新科學家》2009年1月15日

譯者:王某人,自號剛剛_開著花兒。現遊學於湖湘“南蠻之地”,有折騰瓶瓶罐罐之癖好,看見液體就想攪拌攪拌,看見固體就想敲開看看;繼承煉丹師之遺願:誓為世界和諧貢獻個人健康。

性情外弱內剛,外冷內熱。我本男兒身,卻被朋友玩笑為女兒郎;相思無寐夜夜晚晚,無奈踏上愛情路實在太難。
整一俗人,好談笑風聲,喜遊山玩水,望周遊列國,樂遊戲人間,易附庸風雅,實乃遺笑大方。

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我們所處的三維世界有可能是宇宙的終極幻象嗎? Marcus Chown稱一台德國探測器捕捉信息的分析結果暗示:人類的存在都只不過是投影。


駕駛在德國漢諾威巿南部的鄉村,容易錯過的景點莫過於引力波探測計劃GEO600所在地。

它的外貌並不起眼:角落裡建著一棟配套的方形臨時建築,兩條覆蓋著波紋鋼的溝渠以適當的角度向外延長,溝渠裡則安裝著長達600米的探測器。

在過去的7年間,這項德國計劃一直在尋找引力波,一種由像中子星和黑洞這樣超密度天體的引起時空波動。雖然目前為止還未有發現任何引力波,但它可能已在無意中獲得了半世紀以來物理學中最重要的發現。

幾個月來,GEO600的研究人員一直對這個巨型探測器中揮之不去的噪音困擾不已,直到某天,一位研究員靈光閃現,才對噪音的存在作出了合理的解 釋。事實上,在這位研究人員在知道他們測得噪音之前就已經預測了它的存在。而根據一位工作在伊利諾斯州巴達維亞的費米實驗室粒子物理分部的物理學家 Craig Hogan的推測,其實GEO600的研究人員已經無意中發現時空的極限,處於這一極限的時間和空間的行為更像粒子,而非愛因斯坦所描述的處於平滑的連續 狀態,好比一幅報紙圖片放大到一定倍數時你就會發現它是由像素點組成。 “看起來好像探測器正遭受微觀量子振動的襲擊”Hogan解釋道。

如果這都讓你無動於衷的話,那麼已被任命為費米實驗中心粒子天體物理學主任的Hogan的這句話應該會讓你大吃一驚:“假如GEO600得到的結果和我的推測吻合,那麼可以判斷,我們都生活在一幅巨大的宇宙全息圖中。”

這一觀點聽起來荒謬,但卻是我們對某些事物理解的自然延伸,這些事物中包括黑洞以及擁有堅實理論基礎的事件。同時,這一觀點也給物理學家努力研究宇宙在最基本的層次上的運動狀態時提供了十分有用的幫助。

信用卡和紙幣上的全息圖印刻在平面的塑膠膜上,當光線從全息圖上反射時便會產生立體圖像。上世紀九十年代,物理學家Leonard Susskind和諾貝爾獎獲得者Gerard 't Hooft共同提出:全息原理或許能應用於整個宇宙,我們的日常生活體驗可能就是一幅來自遙遠地區二維平面反射的全息投影圖。


GEO600的激光是否已經證明時空的基本模糊性?

全息原理讓人難以接受。難以想像的是宇宙的另一邊正發生的事情控制著你起床、刷牙和閱讀這篇文章等等行為。雖然理論家有足夠的理由相信在很多方面全息原理的存在是真實可信的,但是卻沒有人知道人類生活在全息圖中這一假設到底意味著什麼。

Susskind和Hooft這一非凡觀點的靈感來源於以色列耶路撒冷希伯萊大學的Jacob Bekenstein和劍橋大學的Stephen Hawking,後兩者對黑洞的研究具有開創性的貢獻。七十年代中期,Hawking證明黑洞並非完全“黑不見底”,而是緩慢地釋放出輻射,如此導致的結 果是黑洞最終蒸發消失。然而,謎題隨之出現:稱之為霍金輻射的熱輻射本身並不攜帶黑洞內部的任何信息,當黑洞消失之後,坍塌為黑洞的恆星的全部信息也隨之 消失,如此推導的結果與信息永不消失這一被廣泛接受的原理相悖。對於解決這個“黑洞信息悖論”,Bekenstein的研究提供了重要的線索,他發現黑洞 熵值,也就是黑洞的信息容量,正比於其“視界”表面積,視界是黑洞在理論上的外表面,它籠罩著洞口,標出了界限,任何逾越這道界限的物質和光都無法從中逃 脫。

理論家由此證明微觀量子在視界的波動會編碼黑洞內部的信息,故當黑洞蒸發消失時信息並沒有離奇失踪。

重要的是,此結論深化了對物理學的理解:坍塌為黑洞的恆星的三維信息能夠完整地被編碼在黑洞的二維視界上,這與將物體的立體圖像編碼在二維的全息 圖上並無不同。 Susskind和Hooft進一步解釋到:宇宙作為一個整體,同樣有其視界,來自視界另一面的光線在宇宙137億年的壽命期間內是無法到達地球的。

另外,多個弦論學家,尤其是來自普林斯頓高等研究院的Juan Maldacena的工作已經證明,以上的研究方向是正確的,並證明了物理規律在設想的形似普林格薯片的五維宇宙中與在四維空間中毫無二致。

根據Hogan的推斷,我們對時空的認識會因此得到根本性的改變。理論物理學家長期以來都認為量子效應會在最小的尺度上引起時空的嚴重扭曲,在這 個倍率上,時空的基本結構趨向粒子,並且是由類似像素、但是比質子還小一千億億倍的微小單元構成的。這個單元的長度稱作普郎克長度,為1×10-35米, 如此微小的長度在任何實驗條件下都無法實現,以至於沒人可以想像能夠親眼看到組成時空的粒子。

“看似量子的劇烈運動會衍生橫向的振動,難以置信的是實驗捕獲了由這些振動引起的噪音。”

直到Hogan意識到全息原理會給世界帶來翻天覆地的變化時他才確認自己的推斷是正確的。如果時間和空間都是由粒子構成的全息圖,那麼你可以把宇 宙想成一個球體,它的外表面覆蓋著普朗克長度見方的正方形,每一片正方形都包含一比特的信息。根據全息原理,宇宙外表面包含的信息數量必須與宇宙內部所容 納的比特數相符。

然而考慮到球形宇宙的體積大大地大於它的外表面,要實現這一點可能嗎? Hogan意識到要實現宇宙內外比特數一致,則組成宇宙內部物質的粒子直徑必須較普朗克長度長,Hogan用另一種說法解釋到:一個全息的宇宙是一個模糊的宇宙。

對於任何致力於證明時空最小單元的人這都是個利好消息。 “雖然與設想的情況相反,但它使在現有的實驗條件下觀測量子的微小結構成為可能。如果你生活在全息圖中,你就能通過測量宇宙的模糊程度來得知這一 點。”Hogan如是說。所以既然普朗克長度小到無法實驗測量,那麼就測量其大到近10-16米的全息投影。

當Hogan初次意識到這一點時,他還在猶豫是否存在這樣的實驗能夠探測到時空的全息模糊性,然後GEO600進入了我們的視線。

類似於GEO600這樣的引力波探測器從本質上講都是非常靈敏的標尺。它的工作原理如下:當引力波通過GEO600時,它就會引起空間在一個方向 伸展和另一個方向收縮的交替運動,為檢測空間運動的存在,GEO600會發射單一的激光束並使之透過稱為分束器的半鍍銀鏡,此後激光被分為兩束,分別進入 裝置中600米長的互相垂直的兩臂,激光經多次反射後回到分束器並生成乾涉圖,干涉圖上亮區表示光波相互疊,暗區表示光波相互抵消,亮區和暗區的任何移動 則表明兩臂的長度已經發生了改變。

“實驗的關鍵在於,標尺對遠小於質子直徑長度的變化非常靈敏。”Hogan說。

那麼引力波探測器有可能探測到粒子狀時空全息投影嗎?

Hogan認為全世界五個引力波探測器中,英德合作的GEO600應該是最能滿足他的要求。他預測到,如果實驗的分束器受到時空量子波動的衝擊,那麼檢測 的結果就會顯示出來(《物理評論D》,vol 77, p 104031)。 “無規則振動產生的噪音會混合在激光信號中。”

Hogan曾在六月份將自己的預測發送給GEO600的研究團隊。 “不可思議,我發現實驗裝置那時檢測到莫名的噪音。”Hogan說。工作在德國波茨坦市馬克斯.普郎克重力物理學研究院和漢諾威大學的GEO600項目負 責人Karsten Danzmann承認,額外噪音的頻率在300到1500赫茲之間,已經困擾了項目團隊有好長一段時間。

Karsten Danzmann回復了Hogan的來信,並給他發送了一幅噪音的波譜圖。 “跟我的預測如出一轍,就好像是分束器在作額外的振動。”Hogan說。

然而,即便是Hogan也不能斷定GEO600已經發現證據證明我們生活在一個全息的宇宙,現在還為時尚早。 Hogan認為:“噪音源可能平凡無奇。”

引力波探測器極其靈敏,所以操作人員必須倍加細緻才能排除噪音的干擾。他們必須考慮到頭頂雲層的流動、遠處車輛的往來、地殼的震動和其它各式各樣 可能遮蔽真正信號的干擾源。 “日常的靈敏度改進操作往往不可避免地產生噪音,我們的工作還包括鑑別噪音來源、消除其影響,然後繼續跟踪另一噪音源。”Danzmann說。由於目前為 止沒有明確的噪音源能解釋GEO600的噪音,故Danzmann還談到:“我認為當前情況並不樂觀,但不是真正令人擔憂。”

GEO600團隊曾一度以為Hogan在意的噪音是由於分束器上的溫度波動,然而計算結果表明溫度波動產生的噪音頂多佔三分之一。

Danzmann提到會對GEO600進行若干項有計劃的升級以提高其靈敏度,並消除幾種可能的噪音源,他說“如果在採取這些措施之後,情況仍得不到改 善,那我們就不得不重新思考了。”對於引力波研究者來說,如果GEO600確實發現了源於時空量子波動的全息噪音,那麼不得不說這是一把雙刃劍:一方面, 噪音會阻礙團隊對引力波的探測,另一方面,它又代表著一項更加重大的發現。

如此情形並非史無前例。研究者們曾為尋找質子衰變時放出的輻射建造巨型探測器,結果探測器卻沒有找到這樣的輻射。 ,但它們發現了中微子會在不同形態之間相互轉換,應該說此發現尤為重要些,因為我們可以從中得知宇宙為何是由物質而非反物質組成( 《新科學家》, 2008年4月12日, p 26 )。

如果一台設備是建來探測天體物理學中引力波源那樣大的事物,但一個不留神卻發現小的不能再小的時空粒子,那可真是適得其反。 “身為一名基礎物理學家,在我看來,發現全息噪音要有趣得多。”


微小的代價

儘管Hogan的判斷正確,而且全息噪音的確會影響GEO600對引力波檢測的靈敏度,但Danzmann還是樂觀的,他說:“即便是噪音限制了 GEO600在某些頻率段的靈敏度,但相對於能夠首次發現時空的粒子性,這只是微小的代價。我們應當高興,畢竟在很長一段時間內這都會是極其重要的發現之 一。”

然而Danzmann對Hogan的想法依然持謹慎態度,並認為相關理論工作有待跟進,他說:“這頂多只是個新鮮有趣的想法,還構不上真正的理論。”Danzmann和很多人都認為現在做出確切的說明還為時尚早,“至少早了一年,讓我們走著瞧。”Danzmann說。

謎題存在的時間越久,人們的建造專屬設備詳細調查全息噪音的動機就越強烈。來自西雅圖華盛頓大學的John Cramer認為,Hogan的預測能跟GEO600項目實驗聯繫起來是一件“僥倖”事件,他說:“事情再清楚不過了,如果他們有意識地專注於全息噪音的 測繪、特徵性質的研究和相關的實驗現象,那麼實驗結果會好得多。”

根據Hogan所說,有一種可能是利用一種叫原子乾涉儀的設備來探測全息噪音,其原理與激光探測器相同,但使用的光束由超冷原子製成,而非激光。因為原子波波長遠小於光波波長,所以比起引力波探測器,原子乾涉儀的體積明顯縮小,價格也更便宜。

那麼如果全息噪音確實被發現了又意味著什麼? Cramer把它比喻成1964年新澤西州貝爾實驗室天線接收的未知噪音,此噪音結果被證明是大爆炸後的馀暉:宇宙微波背景輻射,他說:“這一發現不僅使 Arno Penzias和Robert Wilson獲得諾貝爾獎,而且證實了大爆炸的存在,從此開闢了一片新的宇宙學領域。”

Hogan說得更具體:“忘記《微量情愫》(Quantum of Solace,即“007量子危機”)吧,我們可以直接觀察到時間量子,也就是可能的最小時間間隔,其定義為一顆光子以光速行進過普朗克長度的距離所花的時間。”

更為重要的是,全息原理的確立對嘗試統一量子力學和愛因斯坦引力理論的研究者有很大的幫助。現在研究量子引力學最流行的方向是弦理論,研究者希望 通過弦理論來描述宇宙在最基本的層次上的事件。不僅如此,Cramer還說到:“全息時空可被應用於與弦理論有密切聯繫的重力量子化過程中,結果是,量子 引力學裡某些理論被可能被證明是錯誤的,而另一些理論則得到加強。”

Hogan認為全息原理一旦得以確認,就會排除所有與全息原理相悖的研究量子引力的方向,反過來說,對於那些與之相容的方向,包括一些基於弦理論的方向和 名為“矩陣理論”的方向,這也是一個催進。 “最終,我們會從量子理論中揭開時空的真空面目。”隨著研究的繼續,我們再難有更驚人的發現了。 ”

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