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照鏡子時，鏡子里的你和你十分相像——但并不完全相同。你舉起右手時，鏡子里的你舉起左手。鏡中的映像僅僅是一組反射的光線，它并不是實質(zhì)性的。但是盡管如此，你和你的鏡像間仍然存在著某種重要的聯(lián)系。 此類鏡像關(guān)系是一種我們熟悉且強大的對稱形式。我們可以說心形圖案是對稱的，因為其左側(cè)就是右側(cè)的反射。但是你鏡中影像的對稱性就不一樣，它所體現(xiàn)的東西要深刻得多。心形對稱是因為左右側(cè)的外形是相似的，而你與你鏡像間的對稱則由物理定律所引發(fā)。光線的自然法則要求你和你的鏡像是對稱的。這是一個強大且微妙的對稱類型范例，被稱為二像性。
二像性是兩件事物間的聯(lián)系，其中一件的屬性由另一件所定義。舉例來說，假設(shè)在桌子上有一本書，書的封面上固定了一個釘子，釘子尖頭朝上。無論你怎么拿這本書，釘子將始終指向封面的外部。你知道了釘子的指向，你也就同時知道了書的位置；你知道了書的位置，也就知道了釘子的指向。因此，書和釘子間存在著二像性。 那么是釘子的朝向決定了書的位置，還是書的位置決定了釘子的朝向？這個問題毫無意義。釘子和書之間存在的二像性并非是指一個物體決定了另一個物體的位置，而是指釘子和書根本屬性之間的聯(lián)系，二者之間沒有因果關(guān)系。假如有人問你光是粒子還是波的時候，你就可以結(jié)合量子理論這樣回答他。 波粒二像性是量子理論的核心。光明顯是波：不同波長的光線呈現(xiàn)出不同的顏色；不同波長光線的交織會產(chǎn)生類似激光的東西。光也明顯是粒子：離散的光子會和原子發(fā)生作用；單個光子會象臺球一樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)。光的波粒二像性意味著光子和光波之間存在著對稱性。它是具有波特性的粒子，也是具有粒子特性的的波。它既是波，又不是波；既是粒子，又不是粒子。量子理論的強大在于你不用去區(qū)分粒子和波，它就是具有波粒二像性的量子物體。
物理學(xué)上最強大的二像性可能就是全息原理了。這個原理常被曲解為宇宙是一幅全息圖像。而確切地說，它的意思是指一定體積的空間與封閉這個空間的表面之間存在二像性。全息原理指出，一個空間區(qū)域內(nèi)所包含的信息可以從包含這個空間的表面上獲得。在數(shù)學(xué)上，這意味著空間的體積可以表現(xiàn)為一個全息表面圖像，這個觀點因此得名。 這個想法只是初聽起來有點瘋狂而已。假設(shè)一家酒店的入口處有一名保安，每個進入酒店和離開酒店的人都必須經(jīng)過這名保安的許可，他可以通過計算進入和離開的人數(shù)來獲知酒店里有多少人。因此由保安收集的信息（表面）可以告訴我們酒店里的人數(shù)（體積）。（這個例子與三維空間相比，考慮的信息要少得多，也要簡單得多。但是它能夠演示信息是如何呈現(xiàn)在表面的。） 全息原理將體積和表面的聯(lián)系在一般意義上作了延伸。它對一切都適用，無論是黑洞，還是整個宇宙。以黑洞為例，因為黑洞附近的引力太強，光線無法逃逸，所以我們無法觀測到黑洞的內(nèi)部，但是黑洞有一個“表面”，也就是“事件視界”，在此之外的一切我們都可以看到。所以，通過從事件視界附近獲取信息，我們就可以洞察黑洞的內(nèi)部。 那這是否意味著宇宙是一幅全息圖像？不完全是。這意味著二像性的存在：我們擁有一個具有全息圖像特性的宇宙，或具有宇宙特性的全息圖像。以數(shù)學(xué)的形式來說，你不需要分辨二者中究竟是哪一個驅(qū)動了全息原理。 讓我們回到最初的話題——鏡子。我們和鏡中映像間二像性的存在是否意味著鏡中的映像和我們一樣真實呢？以某種方式來說，是的。假設(shè)鏡中的你是真實的（不僅僅是你在鏡中的影子，而是一個物理的鏡像），而你只是一個鏡像影子。那左右的含義將完全相反，你的手表將逆時針走動。但是基本的物理構(gòu)成將是相同的。你和你鏡像的二像性聯(lián)系，意味著我們可以容易地通過鏡子宇宙來描述我們自己。 作者 Brian Koberlein |
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