德國(guó)哈諾夫有一個(gè)引力波探測(cè)器，它是目前世界上對(duì)長(zhǎng)度變化最敏感的實(shí)驗(yàn)裝置之一，哪怕從地球到太陽(yáng)這么長(zhǎng)的距離上變化一個(gè)原子大小的尺寸，它都能探測(cè)到。這臺(tái)裝置被設(shè)計(jì)用來(lái)探測(cè)由遙遠(yuǎn)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?yàn)閾?jù)理論預(yù)言，引力波傳來(lái)時(shí)會(huì)引起空間距離的微小變化。這個(gè)探測(cè)器對(duì)引力的變化是如此敏感，以至于在實(shí)驗(yàn)室上空飄過(guò)一朵白云，由云朵產(chǎn)生的引力都會(huì)對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生干擾。
在2009年連續(xù)幾個(gè)月里，實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)探測(cè)器上出現(xiàn)異常的噪聲；這些噪聲既非來(lái)自云朵，亦非來(lái)自地面的震動(dòng)……總之完全找不到來(lái)由。正當(dāng)他們焦頭爛額之際，美國(guó)物理學(xué)家霍剛給出一個(gè)驚人的解釋，聲稱他們探測(cè)到的噪聲也許正是表明我們這個(gè)世界其實(shí)是某個(gè)2維全息圖投影的首個(gè)證據(jù)。
全息攝影是一種先進(jìn)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?cè)儆眉す庹丈淠z片，就能復(fù)原出這個(gè)物體栩栩如生的立體像來(lái)，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？?jī)H僅只是因?yàn)槟硞€(gè)地方有些平面人在做著這一切，而我們不過(guò)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(shuō)，可不是毫無(wú)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(lái)自科學(xué)家對(duì)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(qiáng)大到足以讓光也逃脫不開。那個(gè)連光也有去無(wú)回的界線，我們就稱為黑洞的視界。黑洞的視界是一個(gè)均勻的球面，視界之內(nèi)發(fā)生什么我們是無(wú)從知道的，因?yàn)槔锩娴男畔⒉豢赡茉竭^(guò)視界透露給我們。
這樣一來(lái)，假如有一團(tuán)物質(zhì)掉進(jìn)了黑洞，這團(tuán)物質(zhì)一旦越過(guò)視界，它所攜帶的信息就丟失了，視界外面的人無(wú)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(shí)的“信息不會(huì)丟失”的觀點(diǎn)是相沖突的。
但以色列物理學(xué)家貝肯斯坦卻提出一個(gè)假說(shuō)，巧妙地把它們協(xié)調(diào)了起來(lái)。他認(rèn)為有關(guān)掉進(jìn)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(gè)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(shí)就是黑洞信息的表征。
這個(gè)假說(shuō)經(jīng)過(guò)許多理論上的檢驗(yàn)，被認(rèn)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(duì)黑洞來(lái)說(shuō)，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(gè)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(gè)貌似3維的世界實(shí)際上是2維全息圖的一個(gè)投影。這個(gè)邊界在哪里呢？在137億光年之外，那里的光至今還沒能抵達(dá)我們地球上呢。
從黑洞推廣到整個(gè)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(gè)假說(shuō)。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(wú)限的時(shí)空（球面就是一個(gè)有界無(wú)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(wú)限的）從效果上看，這個(gè)５維時(shí)空就好像畫在其４維邊界上的全息圖形。雖然５維時(shí)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?yàn)檫B涉及的維數(shù)都不同），但我們根本沒法區(qū)別，一個(gè)物理過(guò)程究竟是發(fā)生在５維時(shí)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(shí)空觀念。很久以來(lái)，理論物理學(xué)家們就相信，由于量子效應(yīng)，我們這個(gè)世界的空間并不是連續(xù)的，而是有一個(gè)最小的單位，也就是說(shuō)，空間從根本上說(shuō)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?cè)傩〉牧?。按量子理論，長(zhǎng)度的最小單位是普朗克長(zhǎng)度，大約10-33厘米，這個(gè)尺寸比一個(gè)質(zhì)子的一萬(wàn)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(guó)物理學(xué)家霍金還推導(dǎo)出，在黑洞的視界上，4個(gè)普朗克面積存儲(chǔ)1比特的信息（比特是信息的最小單位，在二進(jìn)制中，每個(gè)0或1就是1比特，如二進(jìn)制數(shù)0110就是4比特）。所以，一個(gè)半徑為1厘米的黑洞，其視界上竟可以存儲(chǔ)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(zhǎng)度、普朗克面積和普朗克體積，這些量是如此之小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎目前物理學(xué)家的測(cè)量能力。但假如我們這個(gè)3維世界不過(guò)是2維球面的全息投影，那會(huì)怎樣呢？一個(gè)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(lái)丈量的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)球體所包含的普朗克體積的數(shù)量要遠(yuǎn)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(gè)特點(diǎn)是照片里任何一小塊都包含了整體的信息，不過(guò)本文中所說(shuō)的“全息”并不包含這個(gè)特點(diǎn)。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(diǎn)），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(gè)普朗克體積才能與表面的一個(gè)普朗克面積對(duì)應(yīng)。比如，一個(gè)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(gè)普朗克體積才能對(duì)應(yīng)視界上的1個(gè)普朗克面積。根據(jù)霍剛的結(jié)論，在黑洞的邊界上，4個(gè)普朗克面積存儲(chǔ)1比特的信息，那么在這個(gè)黑洞內(nèi)部，則卻需要每12×1030個(gè)普朗克體積才能存儲(chǔ)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(chǔ)1比特的信息，那反過(guò)來(lái)是否可以這樣說(shuō)：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(chǔ)存了1比特信息的那個(gè)體積，比如說(shuō)需要1000個(gè)普朗克體積才能存儲(chǔ)1比特信息，那么1000個(gè)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(jì)了一下，假如全息理論對(duì)于整個(gè)宇宙也成立，那么我們這個(gè)世界空間的最小單位應(yīng)該大約是10-42立方厘米（存儲(chǔ)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(zhǎng)度的最小單位也變了，不再是普朗克長(zhǎng)度10-33厘米，現(xiàn)在變成了10-14厘米，——這個(gè)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(gè)全息宇宙理論跟引力波探測(cè)器測(cè)量到的噪聲又有什么關(guān)系呢？讓我們先來(lái)了解一下引力波探測(cè)器是如何工作的。
引力波探測(cè)器實(shí)際上是一架非常靈敏的激光干涉儀：一束激光經(jīng)過(guò)一個(gè)半透明的分光鏡后，分成兩束，一束繼續(xù)沿原來(lái)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(lái)后發(fā)生干涉。假如它們經(jīng)過(guò)的距離絕對(duì)一樣長(zhǎng)，那么干涉時(shí)就相互抵消，探測(cè)器就探測(cè)不到一個(gè)光子。但只要兩束激光經(jīng)過(guò)的距離稍有點(diǎn)不同，干涉時(shí)就不能完全抵消，于是非常敏感的探測(cè)器就可以探測(cè)到光子了。
在實(shí)驗(yàn)中，這套裝置一開始就調(diào)到兩束激光完全相消，說(shuō)明它們?cè)谒胶痛怪狈较蛲ㄟ^(guò)的距離完全相等。當(dāng)引力波傳來(lái)時(shí)，它總是有一定的方向，所以對(duì)于水平和垂直這兩個(gè)方向的影響會(huì)有所不同。由于引力波直接會(huì)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(shí)不能完全抵消，我們就將探測(cè)到光子信號(hào)。
前面提到，空間從普朗克長(zhǎng)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(zhǎng)度的尺度上看，空間簡(jiǎn)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?yàn)闈q落越大，出現(xiàn)的概率就越?。?，比方說(shuō)空間的最小尺寸是普朗克長(zhǎng)度，那么漲落的幅度也差不多是普朗克長(zhǎng)度；但要是空間的最小尺寸不是普朗克長(zhǎng)度，比它大得多呢（像現(xiàn)在全息宇宙理論所認(rèn)為的），那么相應(yīng)的，漲落的幅度就比普朗克長(zhǎng)度大多了。
空間漲落造成的結(jié)果是置身于其中的物體會(huì)有輕微的抖動(dòng)，就是說(shuō)，物體的空間位置不那么確定了。比方說(shuō)在引力波探測(cè)器上，那幾面反射鏡和分光鏡就會(huì)有輕微的抖動(dòng)；但假如抖動(dòng)只有普朗克長(zhǎng)度的尺寸，那實(shí)在是太微弱了，目前的儀器根本沒辦法探測(cè)到；可是全息宇宙理論預(yù)言的空間漲落要大得多（因?yàn)樗目臻g最小尺寸比普朗克長(zhǎng)度要大得多），所以它所帶來(lái)的抖動(dòng)也必然要大得多。這些大的抖動(dòng)造成兩束激光不能在任何時(shí)候都保持相消，于是就產(chǎn)生了大量隨機(jī)的噪聲。
這就是霍剛對(duì)于引力波探測(cè)器上出現(xiàn)的異常噪聲的解釋。假如這個(gè)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(lái)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(gè)假說(shuō)，沒有上升到物理定律的高度。但這個(gè)理論給物理學(xué)帶來(lái)一種全新的思維，即考慮問(wèn)題把信息放在第一位。普朗克體積本來(lái)是空間的基本單位，這是按空間本身的性質(zhì)得出來(lái)的，但現(xiàn)在當(dāng)我們說(shuō)“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(chǔ)存了1比特信息的那個(gè)體積”時(shí)，在邏輯上就暗含了“信息第一”的思想，讓1比特的信息反過(guò)來(lái)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(duì)于許多物理問(wèn)題和現(xiàn)象可能都要不得不重新考慮了。如此一來(lái)，一場(chǎng)新的物理學(xué)革命也許就要來(lái)了。
