“我們生活在一幅全息圖中?！蔽锢韺W(xué)家經(jīng)常這么說(shuō)，但是這其中的意義究竟是什么？莫非有另外一個(gè)“平面世界的我”生活在房間的墻上？莫非我們只是超越人類理解能力的神秘五維生物的投影？假如頭腦中的一切都可以用“邊界”來(lái)解釋，那么我們究竟生活在幾個(gè)維度上？

假如這些問(wèn)題讓你夜不能寐，那么請(qǐng)你往下看。

我們的宇宙是一幅全息圖

這一切要從“大統(tǒng)一”理論說(shuō)起。

統(tǒng)一性對(duì)于我們理解大自然的法則是非常有用的：蘋(píng)果墜落與行星公轉(zhuǎn)遵循的法則是相同的。物質(zhì)的氣、液、固三態(tài)可以用分子的不同排列方式來(lái)解釋。分子的多樣性可以理解為原子組合方式的多樣性。這些具有統(tǒng)一性的原理在很久以前就已經(jīng)被人們發(fā)現(xiàn)。

而當(dāng)今物理學(xué)家尋求的，是把各種不同的作用力統(tǒng)一起來(lái)，找到它們一致的起源，比如電力和磁力是電磁力的兩個(gè)方面，而電磁力，或它的量子力學(xué)版本，可以被統(tǒng)一在弱互作用力之下。

但是當(dāng)前還沒(méi)有人能夠把所有已知的作用力——電磁力、強(qiáng)互作用力、弱互作用力、引力——成功地統(tǒng)一起來(lái)。

弦理論剛開(kāi)始是作為一種對(duì)強(qiáng)互作用力的解釋出現(xiàn)的，但是不久后，作為夸克子和膠子理論的“量子色動(dòng)力學(xué)”在這方面表現(xiàn)得似乎更好。當(dāng)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)弦理論有對(duì)所有已知作用力——包括引力——進(jìn)行解釋的潛力后，它開(kāi)始成為“萬(wàn)物理論”的候選者。

不過(guò)事實(shí)證明這非常困難，尤其是用弦理論來(lái)倒推標(biāo)準(zhǔn)模型作用力，于是近年來(lái)，對(duì)統(tǒng)一的追求逐漸被對(duì)二元性的追求取代，人們逐漸傾向于闡明不同類型的弦理論實(shí)際上是同一個(gè)已知理論的不同方面。

二元性可以理解為對(duì)兩個(gè)不同理論的關(guān)聯(lián)。我們可以把二元性當(dāng)成某種特殊的統(tǒng)一。通常意義上的統(tǒng)一，是指我們把兩個(gè)理論合并成一個(gè)更大的理論，并以一定的限度將之前兩個(gè)理論的內(nèi)容包括進(jìn)來(lái)。

假如用二元性來(lái)關(guān)聯(lián)兩個(gè)理論，那我們可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)理論其實(shí)是相同的，只是表現(xiàn)方式不同。它有什么樣的表現(xiàn)方式，取決于我們以什么樣的方式看待這個(gè)理論。

在過(guò)去幾十年間，高能物理中最有趣的發(fā)展是在不同的時(shí)空維度理論間尋找二元性。一種是研究更高維度空間（常被稱作“體”）的引力理論。另一種是研究時(shí)空“體”邊界（也就是“膜”）的理論。這種關(guān)聯(lián)性經(jīng)常被理解為與規(guī)范引力理論有一致性，同時(shí)也達(dá)到了弦理論的二元性極限。

請(qǐng)注意，嚴(yán)格地說(shuō)這種一致是難以被證明的，但是一些已被深究且少有爭(zhēng)議的例子表明它們?cè)谝欢ǔ潭壬峡梢越?jīng)受得住檢驗(yàn)。

這樣的二元性被稱為“全息”，因?yàn)樗梢愿嬖V我們，在特定范圍時(shí)空“體”內(nèi)發(fā)生的一切都被編碼在該空間的邊界上。由于一定體積表面所擁有的信息與體積內(nèi)部相比要少，因此體積之內(nèi)所發(fā)生的事情肯定也比我們估計(jì)的要少。

就像被裝在同一個(gè)盒子里的許多粒子，它們各自獨(dú)立，但是實(shí)際上互相之間必然有關(guān)聯(lián)。就像我們?cè)谟^察房間里許多奔跑跳躍的孩子時(shí)突然注意到，每當(dāng)這些孩子中有一個(gè)跳起時(shí)，由于某種神秘而未知的原因，另外十個(gè)孩子也會(huì)在同一精確的時(shí)刻跳起。

假如我們?cè)诓煌膯卧捏w積內(nèi)部及表面嵌入信息，那么似乎我們存儲(chǔ)在體積內(nèi)的信息要比表面多。但是全息理論告訴我們事實(shí)并非如此，體積內(nèi)部的構(gòu)造并不是完全獨(dú)立的

二元性和全息

二元性之所以有趣是因?yàn)槔碚撐锢韺W(xué)在很大程度上是一種近似的技巧，而它能提供新的方法。

比如每張“費(fèi)曼圖”都描繪了一種粒子相互作用的過(guò)程。圖中環(huán)路越多，這張圖的效用就越低，因此物理學(xué)家先把那些效用高的加在一起，然后再加上較小的，直至它們達(dá)到預(yù)想的精度。

這種方法稱為“攝動(dòng)理論”，只在效用變得越來(lái)越小，以及有更多的作用在發(fā)生的情況下才行得通。

如果是這樣，那這個(gè)理論就是“弱耦合”的，通過(guò)把結(jié)果相加得出的結(jié)論是能夠成立的。如果不是，那么這個(gè)理論就是“強(qiáng)耦合”的，我們無(wú)法簡(jiǎn)單地將結(jié)果相加，來(lái)得出想要的結(jié)論。一個(gè)強(qiáng)耦合粒子物理理論標(biāo)準(zhǔn)模型是無(wú)效的。

強(qiáng)互作用力有一種古怪的特性，被稱為“漸進(jìn)自由”，意為在高能狀態(tài)下，它會(huì)變?nèi)?，但在低能狀態(tài)下，它會(huì)變強(qiáng)，所以我們對(duì)低能核物質(zhì)了解非常少。

比如“夸克膠子漿”的行為，以及單個(gè)夸克子為何總是不能自由飛行，總是“受限”于更大的復(fù)合狀態(tài)。另一個(gè)有趣的例子是所謂的“奇異”金屬，包括高溫超導(dǎo)體等物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的東西。

規(guī)范引力二元性對(duì)于了解這些體系有幫助，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)理論具有強(qiáng)耦合性且難以論述時(shí)，那么它的二元理論就會(huì)是弱耦合且較容易論述的，因此二元性本質(zhì)上是為那些難以計(jì)算的理論提供了另一種簡(jiǎn)便的轉(zhuǎn)換方法。

更高的維度

由于“邊界”理論和“體”理論的二元性關(guān)聯(lián)，它們可以用于描述同一個(gè)物理現(xiàn)象，因此在基本層面上是沒(méi)道理的——它們是描述一件事的兩種方法，只不過(guò)有時(shí)候其中一種方法比較容易，有時(shí)候另一種比較容易而已。

只有當(dāng)我們關(guān)注一個(gè)特定體系時(shí)，問(wèn)題才會(huì)變得有意義，比如夸克膠子漿或黑洞，以及粒子所在的維數(shù)。這種對(duì)粒子的描述使問(wèn)題變得有意義，是因?yàn)橐R(shí)別粒子通常不是那么容易。

夸克膠子漿理論屬于邊界理論是因?yàn)樗梢员幻枋龀梢粋€(gè)強(qiáng)耦合理論，因此如果你把它置于實(shí)驗(yàn)之中，那你自己也會(huì)和它一同身處其中，身處于這個(gè)邊界上。我們所體驗(yàn)到的“維度”概念與粒子運(yùn)動(dòng)的自由度有關(guān)。更加嚴(yán)密地說(shuō)，可以定義為測(cè)得的“頻譜維度”，通俗地說(shuō)，是粒子會(huì)丟失的方向數(shù)量。體系的強(qiáng)耦合性意味著這個(gè)體系無(wú)法對(duì)單一粒子的自由飛行進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別。

因此，當(dāng)你在實(shí)驗(yàn)中，在三個(gè)空間維度中運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，夸克膠子漿的單一粒子運(yùn)動(dòng)只能用更高維度的理論來(lái)進(jìn)行解釋。在這個(gè)意義上，實(shí)驗(yàn)的一部分實(shí)際上處在更高的維度上。

相對(duì)重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）是能夠用相對(duì)較重的離子制造出夸克膠子漿的對(duì)撞機(jī)之一

如果我們拿天體物理學(xué)上的黑洞來(lái)做例子，情況則是相反的。我們知道粒子在黑洞附近是弱耦合的，且處于三個(gè)空間維度上。如果要在這個(gè)問(wèn)題上用二元性來(lái)解釋，只有把我們的宇宙當(dāng)成“體”，這樣就可以在較低的維度上形成我們的投影，與此同時(shí)，黑洞就成了“邊界”。

但是所謂的“反德希特”時(shí)空“體”擁有與我們這個(gè)宇宙相反的常量，所以無(wú)法確知在我們的宇宙中是否存在一種可以用來(lái)解釋黑洞現(xiàn)象的低維體系。

許多學(xué)者都在推進(jìn)規(guī)范引力二元性研究，試圖將擁有正宇宙常量的空間包括在內(nèi)，亦或?qū)⑵渑懦?。但是到目前為止這種努力是否有效仍然未知。所以現(xiàn)在我們?nèi)匀徊恢涝诘途S時(shí)空中是否存在我們的投影。

二元性和全息的實(shí)際意義

隨著技術(shù)的發(fā)展對(duì)理論的推動(dòng)，規(guī)范引力二元性的實(shí)際意義大致體現(xiàn)在三個(gè)方面。它們是夸克膠子漿、奇異金屬和黑洞蒸發(fā)。就前兩個(gè)而言，我們的宇宙處于邊界，而就后一個(gè)而言，我們位于體宇宙內(nèi)。

對(duì)黑洞蒸發(fā)的研究，能夠以連貫的數(shù)學(xué)方式，對(duì)信息逃離黑洞的方式或奇點(diǎn)附近正在發(fā)生的事情加以檢驗(yàn)。在這個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)前的疑問(wèn)多于答案。二元性在夸克膠子漿上的應(yīng)用帶來(lái)了很多令人興奮的成果，但是最近又產(chǎn)生了一些問(wèn)題。

這些電漿似乎沒(méi)有之前以為的那樣具有強(qiáng)烈的耦合性，因此二元法可能沒(méi)有期望的那樣有效。而在奇異金屬的應(yīng)用方面，無(wú)論是分析還是數(shù)字模型的發(fā)展都取得了比較快的進(jìn)展。

多種觀測(cè)結(jié)果已被高質(zhì)量地重現(xiàn)，但是到目前為止還不清楚哪種體系最適合。模型仍然太大，留下了太多的預(yù)測(cè)空間。在這個(gè)領(lǐng)域，答案多于疑問(wèn)。

全息理論是一個(gè)不可思議的領(lǐng)域，也是個(gè)數(shù)學(xué)領(lǐng)域。大量的堅(jiān)實(shí)理由和一致性表明，我們的宇宙可能是一幅全息圖，但是通過(guò)我們的三維現(xiàn)實(shí)究竟能夠看到什么？我們的旅程和研究才剛剛開(kāi)始。