德國哈諾夫有一個引力波探測器，它是目前世界上對長度變化最敏感的實驗裝置之一，哪怕從地球到太陽這么長的距離上變化一個原子大小的尺寸，它都能探測到。這臺裝置被設(shè)計用來探測由遙遠的黑洞或者中子星產(chǎn)生、傳到地球上已經(jīng)變得非常微弱的引力波，因為據(jù)理論預(yù)言，引力波傳來時會引起空間距離的微小變化。這個探測器對引力的變化是如此敏感，以至于在實驗室上空飄過一朵白云，由云朵產(chǎn)生的引力都會對探測器產(chǎn)生干擾。
在2009年連續(xù)幾個月里，實驗人員發(fā)現(xiàn)探測器上出現(xiàn)異常的噪聲；這些噪聲既非來自云朵，亦非來自地面的震動……總之完全找不到來由。正當(dāng)他們焦頭爛額之際，美國物理學(xué)家霍剛給出一個驚人的解釋，聲稱他們探測到的噪聲也許正是表明我們這個世界其實是某個2維全息圖投影的首個證據(jù)。
全息攝影是一種先進的攝影技術(shù)，它能把3維物體的所有信息都記錄在2維的膠片上，當(dāng)我們再用激光照射膠片，就能復(fù)原出這個物體栩栩如生的立體像來，幾乎可以以假亂真。
怎么？難道我們這些所謂有血有肉的人，每天吃著、玩著、生活著、戀愛著，都只是幻覺？僅僅只是因為某個地方有些平面人在做著這一切，而我們不過是他們的全息幻影？
從黑洞的全息
到宇宙的全息
物理學(xué)家提出“世界只是一張全息圖”的假說，可不是毫無根據(jù)地在故做驚人之談，而是在理論上有一定基礎(chǔ)的，這根據(jù)來自科學(xué)家對黑洞的研究。
黑洞是宇宙中非常古怪的一類天體，它附近的引力強大到足以讓光也逃脫不開。那個連光也有去無回的界線，我們就稱為黑洞的視界。黑洞的視界是一個均勻的球面，視界之內(nèi)發(fā)生什么我們是無從知道的，因為里面的信息不可能越過視界透露給我們。
這樣一來，假如有一團物質(zhì)掉進了黑洞，這團物質(zhì)一旦越過視界，它所攜帶的信息就丟失了，視界外面的人無從得知被黑洞吞吃掉的是烤鴨還是燒雞。而這與目前被人們廣泛證實的“信息不會丟失”的觀點是相沖突的。
但以色列物理學(xué)家貝肯斯坦卻提出一個假說，巧妙地把它們協(xié)調(diào)了起來。他認為有關(guān)掉進黑洞的物質(zhì)的信息并沒有丟失，這些信息都編碼保存在了黑洞視界上（這個視界我們是可以看到的）；而且黑洞內(nèi)部所包含的信息量與其視界的表面積成正比；所以黑洞視界的表面積其實就是黑洞信息的表征。
這個假說經(jīng)過許多理論上的檢驗，被認為是合理的。但黑洞是3維的球體，而其視界是2維的球面，假如有關(guān)3維球體的信息能完全保存在2維的球面上，那豈不就像全息攝影一樣？但對黑洞來說，的確如此。
從黑洞的這一現(xiàn)象上獲得啟發(fā)，有科學(xué)家甚至提出，我們整個宇宙的所有信息都保存在宇宙邊界的2維球面上；所以我們這個貌似3維的世界實際上是2維全息圖的一個投影。這個邊界在哪里呢？在137億光年之外，那里的光至今還沒能抵達我們地球上呢。
從黑洞推廣到整個宇宙，這一步是不是邁得太大了？目前這還不太清楚，所以“全息宇宙理論”還只是一個假說。但有科學(xué)家在理論上已經(jīng)嚴(yán)格證明，有一種假想的５維的有界無限的時空（球面就是一個有界無限的例子，它是有界的，但你要是沿著球面行走，卻沒有盡頭，所以又是無限的）從效果上看，這個５維時空就好像畫在其４維邊界上的全息圖形。雖然５維時空遵守的物理理論與其４維邊界上遵守的物理理論完全不同（因為連涉及的維數(shù)都不同），但我們根本沒法區(qū)別，一個物理過程究竟是發(fā)生在５維時空里，還是發(fā)生在４維邊界上。
空間的基本單位變大了
假如全息宇宙理論是正確的，那將又一次改變我們現(xiàn)有的時空觀念。很久以來，理論物理學(xué)家們就相信，由于量子效應(yīng)，我們這個世界的空間并不是連續(xù)的，而是有一個最小的單位，也就是說，空間從根本上說是顆粒狀的。這些空間顆粒就像電腦顯示屏上的像素一樣，不能比它們再小的了。按量子理論，長度的最小單位是普朗克長度，大約10-33厘米，這個尺寸比一個質(zhì)子的一萬億分之一還??；面積的最小單位是普朗克面積，即大約10-66平方厘米；空間的最小單位是普朗克體積，即大約10-99立方厘米。
英國物理學(xué)家霍金還推導(dǎo)出，在黑洞的視界上，4個普朗克面積存儲1比特的信息（比特是信息的最小單位，在二進制中，每個0或1就是1比特，如二進制數(shù)0110就是4比特）。所以，一個半徑為1厘米的黑洞，其視界上竟可以存儲大約1062比特的信息，而目前全球互聯(lián)網(wǎng)上全年的信息流量才只有1022比特呢。
普朗克長度、普朗克面積和普朗克體積，這些量是如此之小，遠遠超乎目前物理學(xué)家的測量能力。但假如我們這個3維世界不過是2維球面的全息投影，那會怎樣呢？一個球體的體積與半徑的三次方成正比，而其表面積只與半徑的平方成正比，當(dāng)我們都用最小單位來丈量的時候，你會發(fā)現(xiàn)球體所包含的普朗克體積的數(shù)量要遠大于表面積所包含的普朗克面積的數(shù)量。
但根據(jù)我們這里全息的要求（全息照片的另一個特點是照片里任何一小塊都包含了整體的信息，不過本文中所說的“全息”并不包含這個特點。我們這里的全息只指3維的信息可以全部記錄在2維的平面上這一點），球體體積所包含的信息量應(yīng)該跟其表面積上包含的信息量相等。結(jié)果是，需要很多個普朗克體積才能與表面的一個普朗克面積對應(yīng)。比如，一個視界半徑為1厘米的黑洞，為了滿足全息的要求，竟然需要3×1030個普朗克體積才能對應(yīng)視界上的1個普朗克面積。根據(jù)霍剛的結(jié)論，在黑洞的邊界上，4個普朗克面積存儲1比特的信息，那么在這個黑洞內(nèi)部，則卻需要每12×1030個普朗克體積才能存儲1比特的信息。
既然在3維世界里，需要很多普朗克體積才能存儲1比特的信息，那反過來是否可以這樣說：在3維世界里普朗克體積并不是它的空間基本單位，基本單位應(yīng)該是儲存了1比特信息的那個體積，比如說需要1000個普朗克體積才能存儲1比特信息，那么1000個普朗克體積才是空間的基本單位。根據(jù)這一想法，霍剛估計了一下，假如全息理論對于整個宇宙也成立，那么我們這個世界空間的最小單位應(yīng)該大約是10-42立方厘米（存儲1比特信息至少需要這么多），這比普朗克體積10-99立方厘米要大多了。空間體積的最小單位變了，長度的最小單位也變了，不再是普朗克長度10-33厘米，現(xiàn)在變成了10-14厘米，——這個尺寸已經(jīng)不再是人力所不可及的了。
噪聲證明
宇宙是全息的？
那么這個全息宇宙理論跟引力波探測器測量到的噪聲又有什么關(guān)系呢？讓我們先來了解一下引力波探測器是如何工作的。
引力波探測器實際上是一架非常靈敏的激光干涉儀：一束激光經(jīng)過一個半透明的分光鏡后，分成兩束，一束繼續(xù)沿原來的方向傳播，另一束則被反射到與之垂直的方向上傳播（當(dāng)然，都是在真空里）。然后經(jīng)各自的鏡子反射回來后發(fā)生干涉。假如它們經(jīng)過的距離絕對一樣長，那么干涉時就相互抵消，探測器就探測不到一個光子。但只要兩束激光經(jīng)過的距離稍有點不同，干涉時就不能完全抵消，于是非常敏感的探測器就可以探測到光子了。
在實驗中，這套裝置一開始就調(diào)到兩束激光完全相消，說明它們在水平和垂直方向通過的距離完全相等。當(dāng)引力波傳來時，它總是有一定的方向，所以對于水平和垂直這兩個方向的影響會有所不同。由于引力波直接會引起空間距離的變化，所以水平和垂直方向的距離就不再完全相等了，這樣，兩束激光干涉時不能完全抵消，我們就將探測到光子信號。
前面提到，空間從普朗克長度的尺度上看是顆粒狀的，不僅如此，空間還存在大量量子漲落，假如我們縮小到普朗克長度的尺度上看，空間簡直就像沸騰的大海。漲落的幅度一般跟空間的最小尺寸相當(dāng)（因為漲落越大，出現(xiàn)的概率就越?。?，比方說空間的最小尺寸是普朗克長度，那么漲落的幅度也差不多是普朗克長度；但要是空間的最小尺寸不是普朗克長度，比它大得多呢（像現(xiàn)在全息宇宙理論所認為的），那么相應(yīng)的，漲落的幅度就比普朗克長度大多了。
空間漲落造成的結(jié)果是置身于其中的物體會有輕微的抖動，就是說，物體的空間位置不那么確定了。比方說在引力波探測器上，那幾面反射鏡和分光鏡就會有輕微的抖動；但假如抖動只有普朗克長度的尺寸，那實在是太微弱了，目前的儀器根本沒辦法探測到；可是全息宇宙理論預(yù)言的空間漲落要大得多（因為它的空間最小尺寸比普朗克長度要大得多），所以它所帶來的抖動也必然要大得多。這些大的抖動造成兩束激光不能在任何時候都保持相消，于是就產(chǎn)生了大量隨機的噪聲。
這就是霍剛對于引力波探測器上出現(xiàn)的異常噪聲的解釋。假如這個解釋是正確的，那其意義不亞于1964年天文家發(fā)現(xiàn)的宇宙大爆炸之后遺留下來的2.73K微波背景輻射（這種輻射也表現(xiàn)為一種噪聲）。
全息宇宙理論目前還只是一個假說，沒有上升到物理定律的高度。但這個理論給物理學(xué)帶來一種全新的思維，即考慮問題把信息放在第一位。普朗克體積本來是空間的基本單位，這是按空間本身的性質(zhì)得出來的，但現(xiàn)在當(dāng)我們說“在3維世界里普朗克體積并不是它的空間基本單位，基本單位應(yīng)該是儲存了1比特信息的那個體積”時，在邏輯上就暗含了“信息第一”的思想，讓1比特的信息反過來決定空間的最小單位了。如果“信息第一”的思想是正確的，那么我們對于許多物理問題和現(xiàn)象可能都要不得不重新考慮了。如此一來，一場新的物理學(xué)革命也許就要來了。
