问题

如何理解「我们的宇宙有可能是遥远宇宙的全息投影」?

回答
关于“我们的宇宙有可能是遥远宇宙的全息投影”这个想法,它听起来确实像是科幻小说中的情节,但实际上它根植于一些非常前沿的物理学理论,特别是关于引力、黑洞和量子信息的研究。要理解这一点,我们需要一步步拆解这个概念。

首先,我们需要认识到“全息原理”本身。这个原理源于对黑洞的研究。我们知道,一个黑洞的性质,比如它的质量、电荷和角动量,似乎完全由其表面的“事件视界”所决定,而事件视界是一个二维的边界。更令人惊讶的是,根据德霍夫特和萨斯金德等人的工作,黑洞中所有可能的信息,包括落入其中的物质和能量,似乎都能被编码在事件视界的表面上。这就像一个三维的物体,其所有信息却被存储在一个二维的表面上。从这个角度看,黑洞就像一个“全息”系统。

将这个概念推广到整个宇宙,就引出了“全息宇宙”的假说。这个假说认为,我们所体验到的这个三维(加上时间)的宇宙,可能只是一个更低维度(通常是二维)的“表面”上的信息投影。想象一下,你正在观看一部3D电影,而你所看到的所有深度感、空间感,其实都是通过屏幕上的二维图像二维的投影技术实现的。全息宇宙的观点就是,我们生活的整个现实,也许就像是这样一个被“投影”出来的景象。

那么,这个“遥远的宇宙”到底指的是什么呢?这里说的“遥远宇宙”并不是指我们空间上距离我们非常遥远的区域,而是指一个在物理维度上比我们宇宙更基础、更“低”的宇宙。通常,这个“低维度宇宙”被设想为一个具有更少空间维度的“表面”,比如一个二维的平面,但这个平面上包含了比我们三维空间更多的“信息”。

这个理论的一个重要支持来自“AdS/CFT对应”(反德西特空间/共形场论对应),这是物理学家胡安·马尔达西那提出的一个深刻的数学联系。简单来说,它表明一个存在引力的、在特定几何形状(反德西特空间)中的高维度时空,与一个没有引力、存在于低维度边界上的量子场论(共形场论)是等价的。也就是说,在一个有引力的三维宇宙中发生的所有事情,都可以被描述成在一个没有引力的二维“表面”上发生的某种量子过程。反过来也一样。

这就提供了一个非常具体的数学框架来支持全息的设想。如果AdS/CFT对应是正确的,那么我们可以认为,我们所处的具有引力的三维宇宙,实际上就是那个低维度的共形场论的“表现”或“投影”。那个低维度的共形场论,可以被看作是“遥远的宇宙”——不是空间上的遥远,而是维度上的“基础”或“根本”。

因此,“我们的宇宙有可能是遥远宇宙的全息投影”这句话,可以这样理解:我们所感知到的三维空间、其中的万物以及支配它们的物理规律,可能并非宇宙的“真相”本身。真相可能存在于一个维度更低、更抽象的“表面”上。我们体验到的三维宇宙,只是这个低维度“画布”上绘制出的信息,通过某种我们尚未完全理解的“投影机制”而呈现出来的。

这个想法极具颠覆性,因为它挑战了我们对现实的直观理解。我们认为空间是基本而真实的,但全息原理却暗示,空间维度可能是一种涌现的属性,就像海市蜃楼一样,是由更基础的、更小的东西构成的。

当然,这是一个高度理论化的概念,目前还没有直接的实验证据能够完全证实或证伪它。科学家们正在积极地寻找可以通过观测来检验全息原理的方法,比如通过分析宇宙微波背景辐射中的某些特定模式,或者通过研究高能粒子碰撞产生的量子效应。

总而言之,这个说法并非是说我们生活在一个二维屏幕上的二维图像,而是说我们所经历的丰富多彩的三维世界,其存在的基础和信息编码方式,可能比我们想象的要“扁平”得多,所有信息都压缩在一个更低维度的“层面”上,然后以一种全息的方式“显现”出来。它像是一个巨大的、复杂的三维幻影,而这个幻影的“蓝图”则记录在一个遥远而我们不易触及的“表面”上。

网友意见

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有一天,猫在太空中如愿以偿的抓住了老鼠。为了一劳永逸的解决这个平生最大的对手,猫决定把老鼠扔进黑洞。

这是一个潮汐力比较弱的巨型黑洞,所以老鼠避免了被拉成面条的命运。当然,老鼠的五短身材在这里也发挥了作用。于是,老鼠向黑洞加速坠落。终于,它穿过了黑洞视界这个有去无回的边界,直奔黑洞中心的奇点。

猫饶有兴趣的看着老鼠向黑洞坠落的速度越来越慢,老鼠的身影也越来越暗。最终,老鼠消失在黑洞表面。粗通文墨的猫并不感到惊奇,它知道这是黑洞的巨大引力拉长时间的缘故。虽然它没有亲眼看到老鼠穿越视界,但是它可以肯定:老鼠是回不来了(黑洞真的是吞噬了物体吗? - 知乎

猫志得意满地回家了,从此过上了无忧无虑的生活。但是不久以后,它觉得生活开始变得空虚。没有老鼠的挑拨,连那头大狗都懒得来揍它一顿。它开始后悔把老鼠扔进黑洞了。

于是,猫每天趴在黑洞旁边,希望从黑洞表面看到老鼠的蛛丝马迹。直到有一天,一位相貌清奇的老者驾着一辆外形奇特的飞行器飘然而来。


听了猫的故事以后,老者摇摇头说:“不用白费力气了,你不可能从黑洞中得到任何和老鼠有关的信息。”

“为什么?”猫不解地问。

“一个黑洞只有质量、电荷、线性动量、角动量和位置这几个特征。至于你以前往里面扔了什么东西,这样的信息早就消失了。”

“难道一个恒星形成的黑洞和一亿亿...个大象形成的黑洞竟然是一样的?”猫不敢相信自己的耳朵。

“确实如此。黑洞这东西,”老者沉吟半晌,接着说,“是没有毛的。”

想想自己没有毛的样子,猫不禁打了个冷战。过了许久才发现哪位老者已经飘然而去了。

心灰意冷的猫打算打道回府,继续过自己混吃等死的小日子。这时,另一位仙风道骨的老者驾着祥云而来。

猫怀着一丝希望把自己的故事对这位老者又讲了一次。听完之后,老者微笑着说:“其实,老鼠的信息还在。”

“在哪里?”猫又惊又喜的问,“黑洞里面吗?”

“是的,在黑洞里面,同时也在黑洞表面。”

“......” 猫觉得自己的猫脑子不够用了。

“这不怪你,每个人听到这里都会感到困惑的。我们慢慢来”,老者掏出一块小黑板,开始讲解。

“首先,你要相信,黑洞不会毁灭信息。不止黑洞,宇宙中没有任何东西可以做到这一点。”

“为什么?”猫不解的问,“我把一本书烧掉,书上的信息不就没有了吗?”

“我这里说的信息和书上记录的信息不是一个东西。”老者无奈的摇摇头,想要继续解释,但是看看猫的小脑袋,还是放弃了,“不过你要这么理解也可以”。

老者接着说:“其实,书中的信息在燃烧过程中转移到其他地方去了,比如热量、灰烬、气体和辐射等等。如果你可以把这些物体都收集回来,信息就可以恢复。当然你做不到,但是你应该相信书中的信息是一直存在的,对吧?” (宇宙中有没有一种东西,记录着宇宙中发生的一切? - 知乎

猫点点头,表示可以接受这一点。但是接着它又问:“这是一条经过数学证明的物理定理吗?”

老者摇摇头:“不是,但是在实验和观察中,它从来没有出过错。多数物理学家都相信它一定成立。我觉得,它是物理学中最基本的定理,所以我把它叫做‘物理学第负一定律’。”

猫疑惑的说:“我也听说过几条物理定律,但是没听说过有‘第负一’的定律。”

老者微笑道:“数字越小越基础嘛。我觉得它是整个物理学大厦的根基,把它叫做第一定律甚至第零定律都不能彰显其重要性。不过,我们还是回到黑洞,看看老鼠的信息藏在哪里?”

老者在黑板上画了一个点,说:“这是一个质量相当于一颗灰尘的微型黑洞。现在我们往里面放一点信息,也就是丢一个光子进去。这时,黑洞的质量增加了,它的体积和表面积都会增加。”

猫表示可以理解。然后老者接着说:“如果我们继续往里面丢光子,这个黑洞就会继续增长。当然我们不用真的这么做。数学可以帮我们计算出,我们向黑洞输入的信息量于黑洞的增长有什么关系。”

老者严肃的看着猫,慢慢地说:“计算结果是:黑洞可以容纳的信息和黑洞的视界面积成正比。”

一分钟以后,猫捡起掉在地上的下巴,大喊道:“怎么可能?信息在黑洞内部,黑洞能容纳的信息应该和黑洞的体积成正比吧?”

老者面无表情的说:“你可以不相信我,但是不能不相信数学。”

听到“数学”这个恐怖的词,猫屈服了,选择了接受这个结果。它想了半天,迟疑的说:“这个结果是不是在暗示信息就在黑洞表面?”

老者点点头说:“不是暗示,我相信就是这样。而且,我们还可以计算出,在黑洞表面,每一个比特有多大面积。”

“这也能算?”猫惊奇的问,“多大?”

“每个比特的面积是 。我们把它叫做普朗克区域。”

对数字不太敏感的猫并没有去想这个面积有多小。它突然想到了另一个问题:“我听说黑洞视界只是黑洞周围的一个球面,并没有什么特殊的地方。照你这么说,好像哪里聚集了不少东西。而且它们挤在一起,停留在视界附近,却拒绝掉进去。这就不好理解了:究竟是什么东西在存储那些信息?”

“这是个好问题。”老者说,“现在的研究还不足以回答这个问题。不过,弦论倒是提供了一个答案,就看你愿不愿意接受了。”

说着,老者在黑板上画了一团弯弯曲曲的线,接着说:“所有的基本粒子,向电子、光子什么的,其实它们都是以不同方式振动的能量,也就是我们所说的弦。这是一条低能状态的弦。”

老者又画了一条更长,更扭曲的线,说:“如果你给它能量,它就会变成高能状态的弦,或者说,能量更高的基本粒子。”

放下粉笔后,老者总结道:“所以,黑洞视界表面可能布满了各种高能的弦。它们占满了视界的所有面积。黑洞外围温度非常高。任何要穿过视界的物体,都会被化为灰烬。然后把它的信息留在视界表面。”

听到这里,猫意识到自己干了一件多么可怕的事情,流下了一头冷汗。不过,它很快又找到了反驳的理由:“不对呀,我听说黑洞的质量都集中在中心的奇点,视界只是黑洞外围的一个球面,什么东西都没有。老鼠应该可以安然无恙的穿过视界吧?”

老者微笑道:“不错,这是真的。”

“那你刚才说的被视界化为灰烬?”

老者微笑道:“这也是真的。”

猫彻底糊涂了:“那么老鼠到底分布在黑洞表面还是进入了黑洞?”

老者微笑道:“从你的角度来看,老鼠在视界化为灰烬,它的信息留在了黑洞表面。而从老鼠的角度来看,它安然无恙地穿过了视界,继续向黑洞奇点坠落。”

停了一会儿,老者接着说:“所以,老鼠同时存在于两个地方:1)黑洞内部那只三维的老鼠 2)黑洞表面那些以二维方式编码的老鼠的全部信息。”

听到二维平面可以编码三维物体的信息,猫问:“是不是就像全息图像那样?”


老者赞许的点点头,说:“和全息图像有类似的地方。全息图像是把三维图像的信息编码在二维平面上,然后用特殊的方式把三维图像显示出来。你直接去看一副二维的全息图像,肯定什么都看不出来。黑洞表面的信息也是一样,是一种混乱的编码。”

猫突然想到了一个令人吃惊的事实:“如果黑洞表面和全息图像类似的话,是不是就意味着黑洞表面的二维信息才是真的,而黑洞中的三维老鼠只是某种投影?”

老者说:“你可以这样理解,你也可以理解为它们都是真实的。老鼠只有一个,但是它的信息同时存在于两个地方。这是一个现象的两种数学描述,没有哪一个更真实。”

猫觉得自己的智力大概只能理解到这个地步了,于是它开始改变话题:“我听说我们的可观察宇宙也是有一个视界的。那个视界的表面难道也布满了宇宙内所有物体的信息吗?”

老者对猫的想象力有些吃惊。他解释说:“如果我们把这个理论推广一下,也许可以做出这样的推论。不过,可观察宇宙的视界和黑洞视界有很大的区别。黑洞视界是一个连光也无法逃逸的球面;而可观察宇宙的视界恰恰相反,它是一个外界的光无法到达我们的球面。所以有人说,可观察宇宙是一个翻过来的黑洞。”

猫觉得自己有了一个了不起的发现。它兴奋地说:“这么说,我们周围的三维物体也可以看成是宇宙视界表面二维信息的投影了?”

老者不置可否的说:“这方面的研究才刚刚开始,还在非常初级的阶段,所以现在还不能做出决定性的判断。如果将来能够证实,你这样理解也无可厚非。”

猫呆呆地想了半天,再抬头看时,老者也已经无影无踪了。它努力回忆今天学到了什么。它觉得自己好像听到了很多奇谈怪论,但是却想不出一点细节。最后唯一想到的是,老鼠的信息还存在于宇宙中,可能有一天会随着黑洞的蒸发慢慢释放出来。虽然生活中没有了老鼠,也许还可以琢磨一下怎样作弄那条大狗。想到这里,猫就心满意足的回家去了。

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宇宙最大的bug就是我们的大脑。因为一切现实都是大脑告诉你的。你无法跳过大脑认识未经过大脑处理过的现实。宇宙本质是虚空的一个幻想。这个全息宇宙论只是换了一种说法,宇宙是黑洞的一个幻影。

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