引力似乎具有全息性。这对现实意味着什么？

# 引力似乎具有全息性。这对现实意味着什么？| Quanta Magazine 来源：https://www.quantamagazine.org/gravity-seems-holographic-what-does-that-mean-for-reality-20260925/ Qualia：随好奇心探索的专栏文章 大约十年前，刚入行成为物理学记者的头几个月里，我不断遇到一串难以理解的字符：AdS/CFT。完全被吓住的我决定直接无视它。 但这种鸵鸟心态没持续多久。我很快了解到，这些字符是引力与量子力学这两个看似不协调的世界之间惊人联系的简称。更离奇的是，这种"反德西特/共形场论"对应关系暗示引力消除了体积与面积之间的区别。这个更广泛的概念被称为全息原理，如今我认为它是近30年来理论物理学中最深刻的提案。 理论物理学家倾向于用脚投票，而AdS/CFT引发了一股研究热潮。20世纪90年代末关于该主题的三篇基础论文获得了数万次引用，至今仍是数字时代被引用最多的理论物理学著作。在与研究全息原理的物理学家们交流时，他们常常显得由衷震惊，并用"神奇"、"奇迹"等词汇来描述它。而且全息原理还促成了对物理学最著名谜题的广泛认可解答——与斯蒂芬·霍金所言相反，黑洞并非无法逃脱的牢笼。 但即便在报道了全息原理的众多进展、并与相关物理学家进行了无数次交流后，我仍感到困惑。我听说全息原理表明引力与量子力学本质相同，空间可能是幻觉；也听说它既是数学事实又是推测性臆想。于是我试图综合这些大胆的观点，弄清楚全息原理究竟对我们的宇宙意味着什么。 ## **证据** 想象空间（实际上是时空，但为方便可视化，本文像物理学家那样略去时间维度）的任何区域被一个盒子包围。全息原理断言，无论盒内发生什么——从分子碰撞到黑洞相撞——你只需反复测量盒面各点，就能解析出盒内的一切内容。 请暂停片刻，思考这一论断的荒谬性。你根本看不见盒内。然而全息原理却说，无需接触内部，就能准确了解盒内*各处*发生的事情。仅观察表面就足够了。从这个意义上说，填满盒子的物质总量，就等于覆盖它的颜料总量。这违背逻辑与几何学，要求我们抹去平方米与立方米的范畴差异。这让人联想到全息图像尽管平面却显得有深度，只不过全息图中的鸟与真实的鸟完全相同。 中国清华大学的理论物理学家巴泰克·切赫通过与脑部CT扫描的类比强调了这一原理的强大——CT扫描利用X射线透视器官，再通过数百到数千张断层扫描图像重建内部结构。全息原理意味着你可以做到这一点——三维重建每一道沟壑、血管和神经元——而无需实际观察内部。仅拍摄大脑表面在某种意义上就足够了。 为何会有人接受如此牵强的概念？它植根于思想实验与数学，似乎可追溯到一种力量："引力的奇迹"，切赫说。 一个多世纪以来，科学家们就知道引力与其他力不同。想象一个盒子装着电荷，代表另一种基本力——电磁力。盒内物质由电荷及其产生的电场（电场也穿过外表面）组成。如果仅凭表面观察来推断电荷分布，你会遇到问题。因为正电荷会抵消负电荷，不同排列可能呈现相同外观。如果观测到没有电场，可能意味着内部无电荷——也可能意味着正电荷效应完美屏蔽了负电荷效应。仅凭表面无法分辨。 对于引力，质量扮演电荷的角色。它弯曲周围时空，且质量恒为正值。没有负质量，因此总能从盒子表面时空的弯曲推断内部唯一的物质真实排列。"直觉上，这就是全息原理看似合理的原因，"加拿大滑铁卢理论物理研究所研究量子引力的物理学家洛朗·弗雷德尔说。 但只有纳入量子力学的精微细节后，全息原理才真正开始显现威力。首批线索出现在1970年代，当时雅各布·贝肯斯坦与斯蒂芬·霍金计算了黑洞熵——这通常是衡量物体内部容纳多少物质的标准。他们运用量子理论预测黑洞吞噬粒子时的增长方式。令人困惑的是，当设想向黑洞添加粒子时，他们发现熵与表面积同步增长——而非预期的体积。斯坦福大学物理学家伦纳德·萨斯坎德在1990年代基于他们的成果提出，黑洞本质上就是全息图，其内部一切均可从外部观测。从某种意义上说，内部是多余的。"我觉得这有点疯狂，"萨斯坎德说，"但它是所有可能性中最不疯狂的。"（诺贝尔奖得主杰拉德·特·霍夫特与佛罗里达大学物理学家查尔斯·索恩同时期得出了类似结论。） 我一直认为黑洞熵论证很有说服力，因为任何空间区域只要注入足够质量就能成为黑洞。尽管以奇异性著称，黑洞却是空间的典型例证。它们只是以特殊方式凸显了空间更奇特的属性。因此如果黑洞具有全息性，而任何空间区域都可能成为黑洞，那么论证继续推演——你所在的房间也应是全息的。"这完全具有普适性，"萨斯坎德说。 1990年代，物理学家伦纳德·萨斯坎德将黑洞构想为真正的全息图。他确认仅通过测量表面就能了解内部。 Linda A Cicero/斯坦福新闻服务 这一论证具有坚实可靠的普适性，但我也听物理学家描述全息原理是与现实联系不确定的推测性观点。因此我联系了爱丁堡大学希格斯理论物理中心的物理学家拉萨姆·博伊尔，希望获得不同视角。他没有让我失望。 博伊尔并不质疑贝肯斯坦与霍金的黑洞发现，但确实质疑全息解释。他怀疑在空间区域周围设置表面的行为（黑洞形成时便会发生）会产生两种不同熵。一种熵告诉你内部能容纳多少粒子——这确实取决于体积。表面的存在赋予第二种"纠缠"熵。内部粒子通过量子连接（即纠缠）与外部粒子相关；表面越大，穿越它的纠缠就越多。纠缠熵取决于面积而非体积。博伊尔认为，它们并非同一种东西。 "这似乎是对发生之事更少神秘色彩、更脚踏实地的解释，"他说。 但全息原理的优势在于其背后存在第二个更概念上严密的发现：AdS/CFT。 AdS/CFT要求我们想象一个与我们的宇宙不同的世界，其空间弯曲方式使得无限广袤的空间能被描绘成容纳于有限的水晶球内。这或许要求很高，但数学家——以及具有数学思维的艺术家如M.C.埃舍尔——完全能接受。这种几何结构被称为反德西特空间。 除奇特曲率外，反德西特水晶球内部与我们的宇宙很相似，充满电子和原子。更重要的是，它也能响应物质产生涟漪，提供引力效应。同时水晶球表面是独立的宇宙。那里也居住着量子粒子，但它是刚性的，无法对粒子作出反应：没有引力。这个表面世界完全由称为共形场论的量子理论支配，其物理规则在放大或缩小时保持不变。 20世纪90年代末的三篇重磅论文从数学上证明，这两个理论世界（AdS内部与CFT表面）*本质上是同一回事*。这就是AdS/CFT对应关系。如同黑洞熵论证，体积与表面等效。但不同于黑洞论证，AdS/CFT本质上是关于引力与量子力学的数学事实，不存在替代解释。即使是怀疑论者也认为这真正令人惊讶。"我不知道任何平凡的解释方式，"博伊尔说。 AdS/CFT不可否认的信息是，至少在这个特殊的水晶球里，引力规则与量子力学规则在暗中描述着同一种游戏——尽管两大理论素来对立。"它们非但不相悖，反而相互交织，"布兰戴斯大学物理学家布赖恩·斯温格尔说，"一个从另一个中涌现。" 这一对应关系令人震惊。我将其比作发现了将任何跳棋走法转换为有效象棋走法的途径：这怎么可能奏效？当我向研究量子理论数学结构的哥伦比亚大学物理学家塞巴斯蒂安·米泽拉展示这一比喻时，他说这不够戏剧化。"这是个好类比，"他说，"但更像是跳棋和篮球的转换。" 但水晶球的全息性质是否告诉我们任何关于现实的信息？在这一点上物理学家意见不一。怀疑论者强调我们的宇宙与水晶球相反。宇宙的加速膨胀表明我们生活在向外弯曲的空间——德西特空间。由于我们的空间不向自身弯曲，没有可供投射全息图的边界表面。因此几乎没有理由认为AdS/CFT与真实世界有关。 然而最专注的全息论者持基础视角。生活在水晶球深处的蚂蚁无法轻易察觉任何曲率，因此无法分辨反德西特与德西特空间的区别。因此他们认为，对一种空间成立的命题，对另一种空间大概也适用。（以防你想知道，我们就是那些蚂蚁。） 虽然两种论点各有道理，但我倾向于全息论者的观点。黑洞提供了所有类型空间都具有全息性的有趣但间接证据。而AdS/CFT对应关系本质上保证了反德西特空间——物理学家最理解的空间——具有全息性。我们的宇宙以完全不同的方式运作的概率有多大？完全有可能，但我不会打赌。我严肃对待引力使所有类型空间（包括我们的）具有全息性的可能性。 那么生活在全息图中对我们意味着什么？ ## **意义（们）** 我发现大多数物理学家对空间全息性与"本体论"（关于何为真实的大写真理）之间的联系持谨慎态度。 "我不试图回答那个问题，"萨斯坎德说，"那超出了我的职责范围。" 在我看来这是审慎的回应，忠于物理学的终极目标——并非如我常想的那样是解释何为真实。相反，物理学家寻求识别几个用数学关系表达的简单概念，能在多种不同情境下作出可靠预测。引力是个强大概念，因为它适用于下落的苹果、起伏的潮汐和运行的行星。全息原理是该传统的又一步进展——至少对某些空间而言，面积与体积具有等效性。 "物理学家构建模型，"切赫说。而全息模型甚至能被构建出来，这令人兴奋。 但我渴望更直观、更不审慎的解释。我想知道，如果我们生活在反德西特空间（我们并非如此），或者物理学家发展出德西特空间的全息理论（他们尚未做到），全息原理对我们意味着什么。当我以这种方式提出问题时，宾夕法尼亚大学研究全息原理的物理学家维杰·巴拉苏布拉马尼安勇敢列出了几种可能性。 如果我们的宇宙最终只有一种本质（而非多重等效本质——巴拉苏布拉马尼安说这是可能的），那么有三种选择：量子表面是真实存在，引力体积是真实存在，或其他某物是真实存在。 第一种解释——表面是真实存在——在研究AdS/CFT的物理学家中最流行。他们怀疑我们体验的空间如同水一般虚幻。如果你足够仔细观察这清澈的液体，会发现它分解为弹跳的分子——"真实之物"。类似地，如果足够仔细观察我们的宇宙，会发现它比表面看起来更空旷。在这种情景下，我们会像电子游戏中的角色。看似笨重的三维游戏世界建筑和树木，实际上是平面屏幕上闪烁的像素。 "我们被误导，认为宇宙中存在比实际更多的物质，"弗吉尼亚理工大学的理论物理学家曹超（Charles Cao）说。你可以"将所有三维世界压缩进二维"。 这种视角盛行于名为"量子比特造万物"的研究项目中，它假设我们周围的空间（"它"）由量子信息单位（量子比特）构成。这些量子比特如同屏幕像素构成游戏角色的物理现实那样，构成我们现实的真正织构。 这种解释的深远含义是——