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标题: 宇宙全息论 [打印本页]
作者: cainong_111    时间: 2009-8-4 16:30     标题: 宇宙全息论

宇宙全息论【客观现实是否存在，或者宇宙是一个幻象？】

　　在一九八二年时，一件惊人的事发生了。在巴黎大学由物理学家Alain
Aspect所领导的一组研究人员，他们进行了一项也许会成为二十世 纪最重要的实验。

　　你不会在晚间新闻中听到这件事。事实上，如果你没有时常阅读科学期刊，你可能从来没有听过Aspect的名字，虽然有些人相信，他们的发
现可能会改变科学的面貌。

　　Aspect和他的小组发现，在特定的情况下，次原子的粒子们，例如电子，同时向相反方向发射后，在运动时能够彼此互通信息。不管彼此之间的距
离多么遥远，不管它们是相隔十尺或十万万里远，它们似乎总是知道相对一方的运动方式，在一方被影响而改变方向时，双方会同时改变方向。

　　这个现象的问题是，
它违反了爱因斯坦的理论：没有任何通讯能够超过光速。由于超过了光速就等于是能够打破时间的界线，这个骇人的可能性使一些物理学家试图用复杂的方式解释
Aspect的发现。

　　但是它也激发了一些更有革命性的解释。

　　例如，伦敦大学的物理学家David
Bohm相信Aspect的发现是意味著【客观现实并不存在】，尽管宇宙看起来具体而坚实，其实【宇宙只是一个幻象】，一个巨大而细节丰富的全像摄影相片（Hologram）。

　　要了解为什么Bohm会做出如此惊人的假设，我们必须首先了解什么是全像摄影相片。

　　全像摄影相片是靠雷射做出的一种三度空间立体摄影相片。要制作一张全像摄影相片，物体首先必须用一道雷射光束照
射，然后第二道雷射光束与第一道光束的反射产生绕射的图案（两道光束交集的地区），被记录于底片上。底片洗出后，看起来像是无意义的光圈与条纹组合。但是
当底片被另一道雷射光束照射时，一个三度空间的立体影像就会出现在底片中（这不同于一般印刷式的所谓全像相片，只有狭窄的角度可见立体影像。真正的全像摄
影相片是没有角度限制，而且必须用雷射光才可见影像。）。

　　影像的立体不是全像摄影唯一特殊之处。如果一朵玫瑰的全像相片被割成两半，然后用雷射照射，会
发现每一半都有整个玫瑰的影像。

　　事实上，即使把这一半再分为两半，然后再分下去，每一小块底片中都会包含著一个较小的，但是完整的原来影像。不像平常的相
片，全像相片的每一小部份都包含著整体的资料。

　　全像相片的这种「整体包含于部份中」的性质给予我们一个全新的方式来了解组织与秩序。

　　西方科学的历史多半是
基于一种偏见，认为要了解任何事物现象，不管是只青蛙或一阵风暴，最好的方式是分解事物，研究事物的部份。全像摄影教导我们，宇宙中可能有事物不会配合这
项假设。

　　如果我们试著把某种全像摄影式结构组成的事物分解开来，我们不会得到部份，而会得到较小的整体。

　　这项理论使Bohm建立了另一种用来了解
Aspect发现的解释。Bohm相信次原子的粒子能够彼此保持联系，而不管它们之间的距离多远，不是因为它们之间来回发射著某种神秘的信号，而是因为它
们的分离是一种幻象。

　　他说在现实的某种较深的层次中，如此的粒子不是分离的个体，而是某种更基本相同来源的实际延伸。

　　为了使人们更容易想像出他的假设，Bohm提供了以下的描述：想像一个水族箱，里面有一条鱼。也想像你无法直接看到这个水族箱，你对它的了解是
来自于两台电视摄影机，一台位于水族箱的正前方，另一台位于侧面。当你看著两台电视监视器时，你可能会认为在两个萤光幕上的鱼是分离的个体。

　　毕竟，由于摄
影机是在不同的角度，所得到的影像也会稍有不同。但是当你继续注视这两条鱼时，你会觉察到两者之间有特定的关系。当一条鱼转身时，另一条也会做出稍微不
同，但互相配合的转身；当一条面对前方时，另一条会总是面对侧方。如果你没有觉察到整个情况，你可能会做出结论，认为这两条鱼一定是在互相心电感应。但是
显然这并非事实。Bohm说这正是在Aspect实验中的次原子粒子的情况。

　　根据Bohm，次原子粒子之间的超光速连接现象其实是在告诉我们，现实有更深的层次是我们没有觉察到的，一种超过我们空间的更复杂空间，就像那
水族箱。

　　而且，他补充，我们会把次原子粒子看成分离的个体，是因为我们只看到它们部份的现实。如此的粒子不是分离的「部份」，而是一种更深沈与更基本整体
的片面，这种整体具有全像摄影的结构，就像先前所提到的玫瑰一样无法分割。而且由于现实中的一切都是由这些幻影粒子所组成，于是整个宇宙基本上是一个投
影，一个全像式的幻象。除了这种幻象的性质之外，如此的宇宙也包含著其他更为惊人的特性。

　　如果次原子粒子的表面分离是一种幻象，这表示在现实的更深层次，
宇宙中的一切最终都是相互关连的。在人脑中的一个碳原子中的一个电子是连接到太阳表面的一个氢原子中的一个质子，而它们又连接到所有在水中游泳的鲑鱼，所
有跳动的心脏，及天上所有星辰的次原子粒子。一切事物都交互贯穿一切事物，而虽然人类的本性是去分类处理宇宙中的种种现象，一切的分类都是必要的假象，而
一切的终极本质是一个无破绽的巨网。

　　在一个全像式的宇宙中，甚至连时间与空间都不再是基本不变的。

　　因为在一个没有分离性的宇宙中，位置的观念会瓦解，时
间与三度空间就像电视监视器中的鱼，只是一种更深秩序的投影。这种更深的现实是一种超级的全像式幻象，过去，现在，未来都共同存在于其中。

　　这表示只要有适 当的工具，将来有一天会有可能进入这种超级全像式的现实层次中，取出过去古老的影像。
这种超级全像式的宇宙还包含了什么，是一个开放而无解答的问题。为
了方便讨论，假设这种超级全像式的结构是宇宙一切事物的由来根源，至少它包括了过去和未来所有存在的次原子粒子─一切事物和能量的所有可能组合，从雪花到
夸粒子，从蓝鲸到加玛射线。它可被视为一种宇宙性的储藏库，包括了所有存在过的一切。

　　虽然Bohm承认我们不可能知道在这超级的全像结构中还隐藏了什么，
他大胆地说我们没有理由假设它没有包括著更多。

　　如他所言，也许这种超级全像式结构的现实层次只是一道「阶梯」，在它之上还有「无限多的发展」。

　　Bohm 不是唯一的研究者发现宇宙是一个全像摄影式的幻象。在脑部研究的领域中，史坦福大学的脑神经学家Karl
Pribram也分别独立地相信现实的全像式本
质。Pribram研究脑部是如何储存记忆，因而被全像式结构模型所吸引。近几十年来，许多研究显示，记忆的储存不是单独地限于特定的区域，而是分散于整
个脑部。

　　在一九二零年代的一连串历史性的实验中，脑部科学家Karl
Lashley发现不管老鼠脑部的什么部位被割除，都不会影响它的记忆，仍旧能表现
手术前所学到的复杂技能。唯一的问题是没有人能提出一套理论来解释这种奇怪的「整体存在于每一部份」的记忆储存本质。

　　然后在一九六零年代，Pribram
接触到全像摄影的观念，知道他发现了脑神经科学家一直在寻找的解释。Pribram相信记忆不是记录在脑神经细胞中，或一群细胞中，而是以神经脉冲的图案
横跨整个脑部，就像雷射绕射的图案遍布整个全像摄影的底片上。

　　换句话说，Pribram相信头脑本身就是一个全像摄影相片。

　　Pribram的理论也解释了人类头脑如何能在那么小的空间中储藏那么多的记忆。曾经有人估计人类头脑在人的一生中能够记忆约一百亿位元
（bits)的资料（大约是五套大英百科全书）。

　　相似的，除了其他功能之外，全像摄影也具有惊人的资料储存容量─只要改变两道雷射照射底片的角度，就可以
在同一张底片上记录许多不同的影像。有人示范过，在一公分立方的方块底片上可以储存一百亿位元的资料。

　　如果脑部是根据全像摄影的原理来操作，我们就比较能
了解我们那特殊的能力，能迅速从我们那庞大的记忆仓库中取出所需的任何资料。

　　如果一个朋友要你告诉他，当他说「斑马」这个字时，你会想到什么。你不需要笨
拙地搜寻某种巨大的脑部字母档案才能得到一个答案。相反地，一些联想，如「条纹」，「马」，和「非洲野生动物」等会立刻跳入你的脑中。

　　的确，人类思考过程
的一项最惊人的特征是，每一件资料都似乎与其他所有资料相互连接─这也是全像摄影幻象的另一项基本特性。因为全像摄影幻象的每一部份都与其他部份交互关连
著，这也许是大自然交互关连系统的最终极例子。 在Pribram的全像式脑部模型的启发下，记忆的储存不只是脑部科学唯一稍获解答的谜。另一项谜题是脑
部如何翻译它从感官所得到的大量波动（光波，声波，等等），使之成为我们知觉的具体世界。

　　记录与解读波动正是全像摄影最擅长的。正如全像摄影像是某种镜
头，某种传译的工具，能把显然无意义的波动图案转变为连贯的影像，Pribram相信脑部也有一个镜头，使用全像式原理来数据式地把经由感官收到的波动转
变为我们内在知觉的世界。

　　有大量的证据显示，脑部是使用全像式原理来进行操作。事实上，Pribram的理论得到了越来越多脑神经学家的支持。

　　阿根廷籍的意大利脑神经研究者Hugo
Zucarelli最近把全像式模型应用到听觉的世界中。他迷惑于人脑在即使只有一只耳朵有听觉的情况下，也能够不用转头就 侦测出声音的来源方向。

　　Zucarelli发现全像式原理可以解释这种能力。Zucarelli也发展出全像式音响的科技，一种录音的技术，能够几乎真实
无误地重新复制出声音现象。Pribram相信我们的脑部根据外在波动的输入，以数学方式建立出「坚硬」的现实。这种想法也得到许多实验上的支持。实验发
现，我们感官对于波动的敏感度要比我们先前所认为的远为强烈。

　　例如，研究者发现我们的视觉对声波也很敏感，我们的嗅觉是与我们现在称为oamic的波动有
关，而甚至我们体内的细胞也对很广大范围的波动敏感。如此的发现使我们推论，只有在全像式的知觉领域中，这种波动才能被整理归类为正常的知觉。

　　但是当Pribram的全像式脑部模型与Bohm的理论放在一起时，才显现其最令人匪夷所思的地方。因为如果这个世界的坚固只是一种次要的现
实，而真正「存在」的是一团全像摄影式的波动，而如果头脑也具有全像式结构，只从这团波动中取出部份的波动，数学式地转换成感官知觉，那么客观现实是什么 呢？

　　简单地说，客观现实就停止了存在。

　　正如东方宗教的教义，物质世界是一种maya，一种幻象，虽然我们也许以为我们是实质的生物，活在一个实质的世界
中，这也是一个幻象。

　　我们其实是漂浮在一个充满波动的大海中的「接收者」，我们从这个大海中抽取出来，并转变成实质世界的波动，只是这个超级全像式幻象的
许多波动之一。

　　这种对于现实的惊人新观点，Bohm与Pribram的合成理论，被称为全像式模型理论（holographic
paradigm)， 虽然许多科学家以怀疑的态度看待它，但这个理论风靡了其他人。

　　一小群逐渐增加的研究者相信，这也许是科学到目前为止，关于现实最准确的模型。

　　更有甚者，有 些人相信它可以解释许多科学以前未能解释的神秘，甚至使超自然也成为自然的一部份。

　　许多研究者，包括Bohm与Pribram，注意到许多超心理学的现象
在全像式模型理论下变得较为容易了解。

　　在这个宇宙中，个别的头脑实际上是一个大全像结构的个别部份，而一切都是相互连结的，心电感应其实就是进入了全像式
的层次。如果一个分别的个体A的意念能够传送到个体B的脑中，如果这两个分离的个体原来已经是连接的，这种现象就很容易了解。

　　　如果你问别人物理世界是由什么构成的，他很可能告诉你是“物质和能量”。但只要我们学过一点工程、生物和物理的话，就知道信息同样是一个不可或缺的组成部分。只给汽车厂的机器人金属和塑料，它们不可能做出任何有用的东西，只有给它们下达如何焊接的指令它们才能组装出汽车。我们身体细胞中的核糖体拥有阿米诺酸组建模块和ATP合成为ADP过程中释放的能量，但如果没有细胞核中DNA所携带的信息，同样无法合成任何蛋白质。类似地，一个世纪以来物理学的进展告诉我们，信息在物理系统和物理过程中起着关键的作用。实际上，现在就有一个学派认为物理世界是由信息构成的，它的创始人是美国普林斯顿大学的John
A. Wheeler。该理论认为信息才是最重要的，物质和能量不过是附属物而已。

　　这种观点引发了对许多古老问题的重新审视。硬盘之类存储设备的信息存储容量获得了飞速发展。这样的进展什么时候会终止？一个重量小于1克，体积小于1立方厘米（这大约是计算机芯片的尺寸）的设备的终极信息存储容量是多少？描述整个宇宙需要多少信息？这种描述能被装入计算机的内存中吗？我们真的能象William
Blake说的那样“透过一粒沙看世界”吗？抑或这种说法只不过是诗人的狂想？

　　值得注意的是，近期理论物理学的进展解答了上面的部分问题，而这些回答很有可能是找到客观的最终理论的重要线索。通过研究黑洞的那些神秘特性，物理学家已经推导出了某一部分空间或一定量的物质和能量所能包含信息量的绝对限度。相关的研究结果表明，我们的宇宙也许并不是一个我们所认为的那种三维空间，它很有可能是某种“写”在二维表面上的全息图形。我们对日常世界的三维认知要么是一种玄奥的幻觉，要么就是观照现实的两种方式之一而已。一粒沙也许不能包含整个宇宙，但是一个平板显示器却有可能做到。
两种熵正统信息论的创始人是美国应用数学家香农。他于1948年发表了一系列开创性的论文，所引入的熵这一概念如今被广泛用于信息的度量。长久以来，熵就是热力学（研究热的一个物理学分支）的中心概念。热力学中的熵通常被用于表征一个物理系统的无序程度。1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼提出了一种更为精确的描述：一团物质在保持宏观特性不变的情况下，其中所包含的粒子所有可能具有的不同微观状态数就是熵。例如，对于包围你的室内空气而言，就可以计算单个空气分子所有可能的分布方式及其所有可能的运动方式。


　　当香农设法量化一条消息中的信息时，他自然而然地得出了一条和玻尔兹曼一样的公式。一条消息的香农熵就是编码这条消息所需二进制位即比特的个数。香农熵并不能告诉我们一条消息的价值，因为后者主要取决于上下文。然而作为对信息量的一种客观度量，香农熵还是在科学技术中获得了广泛的应用。例如，任一现代通信设施——蜂窝电话、调制解调器、CD播放器等等——的设计都离不开香农熵。


　　从概念上来说，热力学熵和香农熵是等价的：玻尔兹曼熵所代表的不同组成方式的数目反映了为实现某种特定组成方式所必须知道的香农信息量。但这两种熵还是存在着某些细微的差别。首先，一名化学家或制冷工程师所使用的热力学熵的表示单位是能量除以温度，而通信工程师所使用的香农熵则表示为比特数，后者在本质上是无单位的。这一差别完全属于习惯问题。


　　即使采用同样的表示单位，两种熵值的量级还存在着巨大的差异。例如，带有1G数据的硅片的香农熵约为10*10个比特（1个字节等于8个比特），这比该芯片的热力学熵可小多了，后者在室温下的取值约为10*23比特。这种差异来源于两种熵在计算时所考虑的不同自由度。自由度指的是某一可变化的量，例如表示一个粒子位置或速度分量的座标。上述芯片的香农熵关心的只是蚀刻在硅晶上所有晶体管的状态。晶体管到底是开还是关；它要么为0，要么为1，是单一的二进制自由度。热力学熵则不同，它取决于每一个晶体管所包含的数十亿计的原子（以及围绕它们的电子）的状态。随着小型化工艺的发展，不久的将来我们就能用一个原子来存储一比特的信息，到那时，微芯片的香农熵将在量级上迫近其材料的热力学熵。当用同样的自由度计算这两种熵时，它们将是完全相同的。


　　那么自由度是否存在极限？原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和中子组成，质子和中子又由夸克组成。今天有许多物理学家认为电子和夸克不过是超弦的激发态而已，他们认为超弦才是最基本的实体。然而一个世纪以来物理学的兴衰变迁告诉我们不能这样武断。宇宙的结构层次有可能比今天的物理学所梦想的还要多得多。


　　不知道一团物质的终极组成部分或其最深层次的结构，我们就无法计算其终极信息容量，同样也无法计算其热力学熵。我把这种最深的结构层次称为第X层。（这种不确定的描述在实际的热力学分析中毫无问题，例如当我们分析一个汽车引擎，原子中的夸克就可以被忽略掉，因为在引擎这样一种相对温和的环境下，它们是不会改变状态的。）按照微型化技术目前这样快的发展速度，我们可以设想将来某日夸克能被用来存储信息，也许是一个夸克一比特。到那时一立方厘米能存储多少信息？假如我们能进一步利用超弦或者更深层次的结构来存储信息呢？令人吃惊的是，近30年来引力物理学领域的成果对这些看似深奥的问题提供了一些明确的答案。


　　黑洞热力学

　　这些成果的一个中心角色就是黑洞。黑洞是广义相对论（爱因斯坦1915年提出的引力几何理论）的产物。根据这一理论，引力来源于时空的扭曲，它使得物体发生移动，就像有一个力在推动一样。与之可逆的是，物质和能量的存在导致了时空的扭曲。根据爱因斯坦的方程式，一团足够致密的物质或能量能将时空弯曲到撕裂的极端程度，这时黑洞就形成了。至少在经典（非量子的）物理学范畴内，相对论决定了任何进入黑洞的物质都无法再从中逃脱。这个有去无回的点被称为黑洞的视界。在最简单的情况下，视界是一个球面，黑洞越大，这个球体的表面积就越大。


　　要探究黑洞内部是不可能的。没有任何具体的信息能穿过视界逃离到外部世界中。然而，在进入黑洞并永久消失之前，一团物质还是能留下一些线索的。它的能量（按照爱因斯坦方程E=mc*2，可以将任意质量换算成能量）将不变地反映为黑洞质量的增量。如果在被黑洞捕获前它正在围绕黑洞旋转，那么它的角动量将被加到黑洞的角动量之中。黑洞的质量和角动量都可以通过黑洞对周围时空的作用而获得测量。这样，黑洞也遵守能量和角动量守恒准则。但另一个基本定律，即热力学第二定律，看起来是被破坏了。


　　热力学第二定律是对惯常观测现象的一个总结：自然界中绝大部分过程都是不可逆的。茶杯从桌上摔碎后，没有人看到碎片自己按原路蹦回又组成一只完整的杯子。热力学第二定律禁止这些逆过程的发生。它指出，孤立系统的熵永远不可能减少；熵最多保持不变，大部分情况下，熵值是增加的。这条定律是物理化学和工程学的核心；它被认为是对物理学之外其他领域产生影响最多的一条定律。


　　就像Wheeler首先指出的那样，当物质消失于黑洞时，它的熵似乎永久消失了，热力学第二定律这时看起来也失效了。解决这一谜题的线索首先出现于1970年。Demetrious
Christodoulou（当时他在普林斯顿大学做Wheeler的研究生）和英国剑桥大学的Stephen W.
Hawking（霍金）各自独立证明了，在多种不同的过程中（例如黑洞的合并等），最终的视界总表面积不会减少。通过将这一性质和熵值趋向于增加的特性相类比，我于1972年提出了黑洞熵值正比于其视界表面积的理论。根据我的推测，物质落入黑洞后，黑洞熵值的增加总能补偿或者过补偿该物质所“丧失”的熵。更广泛地来说，黑洞的熵值及其外面的普通熵值之和永远不会变小。这就是广义第二定律（简称GSL）。


　　GSL已经通过了大量严格（如果仅从理论上来看的话）的验证。当一颗恒星坍塌称为一个黑洞时，黑洞的熵值将大大超过该恒星的熵值。1974年霍金证明了黑洞必然会通过一个量子过程释放我们现今称之为霍金辐射的热辐射。对于这种现象（黑洞的质量及其视界表面积都减少了），Christodoulou-Hawking定理就失效了，然而GSL却能适用：黑洞散发出去的熵值超过了其本身熵值的减少，所以GSL仍然成立。1986年，美国雪城大学的Rafael
D.
Sorkin研究了视界在阻止黑洞内部信息影响外部事件时起到的作用，他因此得出结论：对于黑洞发生的任何可能的过程，GSL（或与之非常相似的理论）必然是成立的。他的深入研究明确指出，无论X取值多少，GSL中的熵对层次X都是成立的。


　　霍金对辐射过程的处理使他得到了黑洞熵值和视界表面积之间的比例关系：黑洞的熵值恰恰是按照普朗克表面积丈量的视界表面积的1/4。（普朗克长度，约为10*－33厘米，是万有引力和量子理论中的基本长度单位。普朗克表面积即它的平方。）即使是从热力学熵的角度来看，这个值也是非常巨大的。一个直径为1厘米的黑洞的熵值约为10*66比特，这大致和一个边长为100亿公里的立方水柱所含的热力学熵相当。


[编辑本段]
世界是一张全息图

　　GSL让我们有可能为任何孤立的物理系统设定信息容量的限度。这些限度对于直到X层的任何结构层次都将成立。1980年我开始研究第一个这样的界。它被称为通用熵界，它确定了特定尺寸特定质量的物质所能包含信息量的界限。美国斯坦福大学的Leonard
Susskind于1995年提出了一个与之相关的称为全息界的概念。它确定了占据一定空间体积的物质或能量所能包含信息量的界限。

　　在研究全息界的过程中，Susskind考察的是一团近乎球体的孤立物质，它并非黑洞，而是被紧密地装入到一个表面积为A的表面中。如果该物质能坍塌为黑洞，则最终形成的黑洞的视界表面积将小于A。这样黑洞熵将小于A/4。按照GSL，该系统的熵不能减少，因而物质的初始熵不能大于A/4。这样我们就可以得出结论：边界表面积为A的孤立物理系统的熵值必然小于A/4。然而如果该物质无法自行坍塌又如何呢？我在2000年证明了，一个小的黑洞可以将一个和Susskind论证过程中那个没什么大区别的系统转变为黑洞。因而这个界是独立于系统的组成或者层次X的特性的。它仅仅依赖于GSL。


　　现在我们可以回答某些关于信息存储量最终限度的深奥问题了。一个直径为1厘米的装置理论上可以存储高达10*66比特的信息量，这可是一个令人难以置信的数量。可见的宇宙最少包含了10*100比特的熵，理论上可将之装入到一个直径为十分之一光年的球体之中。要估计宇宙的熵很困难，然而对于特别大的数值，例如一个几乎与宇宙本身一样大小的球体，则是完全可行的。


　　但是全息界的另一方面却真正让人大吃一惊。就是说，最大可能的熵值取决于边界面积而不是体积。让我们设想将计算机内存芯片堆成一个大堆。晶体管的数目（即总的数据存储容量）随着堆体积的增加而增大。所有芯片的热力学熵之和也同样增大。然而值得注意的是，这堆芯片所占据空间的理论终极信息容量仅仅随表面积的增加而增加。因为体积的增长远远快于表面积的增长，到某一程度，所有芯片的熵值之和将超过全息界。看起来无论是GSL还是我们通常意义上的熵和信息容量都失效了。实际的情况上，真正失效的是堆积过程本身：在上述情况出现之前，它就将因为本身的引力而坍塌并形成一个黑洞。在此之后每增加一个芯片都将增大黑洞的质量和表面积，但这都将遵循GSL。


　　如果全息原理（由诺贝尔得主、荷兰乌得勒支大学的Gerarad't
Hooft于1993年提出，并得到了Susskind的进一步阐述）是正确的话，信息容量取决于表面积这一令人吃惊的结论就将得到自然的解释。在日常世界里，全息图形是一种特殊的胶片，当用合适的方法将它曝光时，它就将产生一个真正3维的影像。描述3维图景的所有信息都被编码到2维胶片上的明暗相间的图样上。用这个胶片随时都可以复现该3维图景。全息原理指出，这一视觉魔术的原理可以类推到对任何一个占据3维区域的系统的所有物理学描述之中，另一个在该区域的2维边界上定义的物理学理论能完全描述该3维区域的物理学。如果一个3维系统能被运作于其2维边界上的物理理论所完全描述，我们就有理由推测该系统的信息容量不可能超越其边界上的描述。


　　“画”在边界上的宇宙

　　我们能把全息原理推广到宇宙这样大的范围吗？真正的宇宙是一个4维系统：它有体积并随着时间轴延伸。如果我们这个宇宙的物理学具有全息性，那么就会存在另外一套运作在某个时空的三维边界上的物理学定律，它们将和我们现在所知的4维物理学完全等效。到目前为止我们还没有发现任何这样的3维定律。事实上，我们拿哪个界面做为宇宙的边界呢？要实现这些想法我们需要首先迈出的一步就是研究比真实宇宙更简单的那些模型。


　　所谓的反德西特时空就是一类全息原理能成立的具体例子。原始的德西特时空是荷兰天文学家威廉·德西特于1917年根据爱因斯坦方程式导出的一个解，其中包括了被称为宇宙常量的斥力。德西特时空是空旷的，以一定的加速度膨胀并且是高度对称的。1997年，宇宙学家在研究遥远的超新星爆发时得出结论：我们的宇宙正在加速膨胀，未来它有可能变得越来越像一个德西特时空。如果我们将爱因斯坦方程式中的斥力换成引力，那么德西特解将变成一个反德西特时空，它和德西特时空具有相同的对称性。对于全息概念来说，反德西特时空的重要性就在于它拥有一个位于“无限”处的边界，这一点和我们的日常时空非常相似。


　　利用反德西特时空，理论家设计出了一个全息原理起作用的具体例子：一个在反德西特时空内运作的宇宙可以用超弦理论完全描述，这套描述和在该时空边界上起作用的量子场论完全等效。这样，上述反德西特时空内部超弦理论的全部奥秘就都被画在了该宇宙的边界上。1997年，Juan
Maldacena（那时他还在哈佛大学）首先推测，在5维反德西特时空上存在这种关系。此后，美国新泽西州普林斯顿大学高级研究院的Edward
Witten及普林斯顿大学的Steven S. Gubser、Igor R. Klebanov和Alexander M.
Polyakov在多种情况下证实了该推测。现在我们已经知道在多种不同维数的时空上都存在着这样的全息对应关系。

　　这个结论意味着，两个表面上看来非常不同的理论（它们甚至是各自生效在不同维数的时空里）是完全等效的。生存在这些宇宙中的生物将无法确定它们是栖息于一个由弦论描述的5维时空还是一个由量子场论描述的4维时空中。（当然，这些生物的大脑结构也许会给它们一种“常识”，让它们以为自己是生存于某一种宇宙中。就像我们的大脑结构让我们有一种内在的感觉，我们的宇宙具有3维空间结构；参见下页图示）全息等价使得一个在某一时空中难以计算的问题可以用另一种方式解决。比如，4维边界时空上夸克和胶子特性的计算，就可以转化为在高度对称的5维反德西特时空上更简易的计算。这种对应关系还有其他的表现方式。Witten就曾证明，反德西特时空上的黑洞等价于其边界时空上的热辐射体。黑洞这个神秘概念的熵就等于该辐射体的熵，显然后者要容易理解得多。


　　不断膨胀的宇宙

　　度对称且空旷的5维反德西特时空和我们这个充斥着物质和辐射且不断受剧烈事件扰动的4维宇宙似乎有很大不同。即使把我们的宇宙近似为一个物质和辐射体均匀分布的系统，我们得到的也不是一个反德西特宇宙，我们得到的将是一个“弗里德曼-罗伯逊-沃克”宇宙。今天绝大部分的天文学家都认为我们的宇宙是一个无限的、无边界的并将永远膨胀的“弗里德曼-罗伯逊-沃克”宇宙。


　　这样的一个宇宙还遵守全息原理或具有全息界吗？Susskind基于坍塌至黑洞的推断在这里毫无作用。实际上，由黑洞所导出的全息界必然在我们这个单调膨胀的宇宙中失效。一块均匀分布着物质和辐射的区域的熵确实将和它的体积成正比。这样的话，一块足够大的区域（所包含的熵）就会突破全息界。


　　Raphael
Bousso于1999年（当时在斯坦福大学）提出了一个改进的全息界，后来发现这个界在上面所述的那些原全息界遇到问题的地方还能适用。Bousso这个全息界的构成起始于任意合适的2维界面；它可以像一个球面一样是封闭的，也可以像一张纸那样是开放的。现在让我们来想象一束短暂的光线同时从这个界面的一边垂直射入。这里唯一的要求就是这些虚拟的光线都是从同一点发射出来的。例如说，从一个球面的内部透射出来的光线就符合这一要求。现在让我们来看这些光线所经过的物质和辐射体的熵。Bousso推测说这个熵值不能超过由初始界面所代表的熵——表面积的1/4（以普朗克面积为单位）。这种计算熵的方法和原来那种全息界的计算方法有所不同。Bousso界并非只考虑某一时刻某一区域的熵值，它计算的是不同时间不同位置的熵值之和：那些被从表面来的光线所“照亮”的熵。


　　Bousso界在继承其他熵界的基础上又避免了它们的局限性。只要所涉及的孤立系统变化不是很快，引力场不是很强，无论是通用熵界还是全息界的't
Hooft-Susskind形式都可以从Bousso界中推导得出。如果这些条件都不满足——例如涉及的物质已经落入了黑洞之中，那么这些界就将失效，但Bousso界却能继续适用。Bousso还证明了，他的这一方法能用于定位建立世界全息图形的2维界面。
革命性的前夜

　　研究人员已经提出了各种各样的熵界。对于全息这一课题，存在那么多的流派，这证明它还没有上升到物理定律的高度。虽然全息的思想还没有完全被我们所理解，但它看起来确确实实是对的。随之而来的是，人们开始认识到，盛行了50年的那个基本信仰，即场论是物理学的最终语言的看法，必须抛弃了。场，比如说电磁场，不同点之间是连续变化的，因而它们描述的自由度是无限的。超弦理论也支持无限多的自由度。全息论则将一个封闭界面里的自由度限制到一个有限的数目上；场论因为其自由度的无限所以不可能是最终理论。此外，即使自由度无限的问题得到了解决，信息量和表面界之间那种神秘的对应关系也应该得到解决。


　　全息论也许为另一个更好的理论指明了方向。基本理论应该是什么样子的？全息论发展过程中的一系列论证推理让某些科学家（其中最著名的是加拿大沃特卢理论物理Perimeter学院的Lee
Smolin）提出，最终理论考虑的不是场，甚至不是时空，而应该是物理过程之间的信息交换。如果真是这样的话，把信息看成世界的组成部分的观点就体现了它的价值。



[ 本帖最后由 太上老君 于 2009-8-4 12:32 PM 编辑 ]
作者: cainong_111    时间: 2009-8-4 16:33

转自百度百科 ，大家姑妄看之，

http://baike.baidu.com/view/583400.htm
作者: 老西    时间: 2009-8-4 16:39

越看越像哲学··················



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