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你是否曾想过，除了我们能看到、感知到、检测到或观察到的东西之外，现实中是否还有更多的东西？20 世纪和 21 世纪物理学中最有趣且最具推测性的想法之一是我们的宇宙似乎由三个空间维度和一个时间维度组成，除了我们能看到的维度之外，可能还拥有额外的维度。最初由 Theodr Kaluza 和 Oskar Klein 独立提出，旨在将爱因斯坦的广义相对论与麦克斯韦的电磁学统一起来，这个想法在现代量子场论及其思想的具体延伸，也就是弦理论中仍然存在。

但是，尽管它具有数学的美感和优雅，但它与我们的物理宇宙有什么关系吗？

宇宙是全息图的想法（也称为全息原理或全息宇宙）已有 20 多年历史，但仍然像以往一样令人好奇和困惑。以下是该概念的概述。

DNA 分子双螺旋结构的全息图是使用镜子投射的，从任何角度都能显示出真实的三维外观。这是因为通过使用相干光，可以创建物体光场的地图并将其编码到平面上。

什么是传统全息图？

如果您以前见过全息图，那么您就真正见证了光的光学行为的奇妙应用。全息图印在二维表面上，当它恰到好处地捕捉光线时，它所显示的不是您通常看到的标准二维图像，而是完全三维的图像。您的眼睛不仅可以轻易感知到第三维度（深度），而且当您改变相对于全息图的视角时，眼睛与编码全息图像各个部分的相对距离似乎也会相应变化。

看起来好像在全息图的“表面”背后存在着一个完全三维的世界，你可以清楚地看到它的细节，就像你可以在镜子中看到三维世界的倒影一样。

这是因为全息图不仅仅是静态图像，而是用于创建全息图本身的三维物体/场景的“光图”。创建全息图本身就是一种有益的观察，它展示了光、光学和物理学如何结合在一起将一组高维信息编码到低维表面上。

尽管照片将三维世界的图像编码到二维表面上，但有关深度的三维信息却被扁平化并丢失了。照片和全息图之间的区别在于，它们不仅有光图像，而且有光场被编码并映射到低维表面上。

与全息图相比，照片的工作方式非常简单。获取物体发射或反射的光线，通过镜头聚焦，并将其记录到平面上。这不仅是摄影的工作原理，也是你在生物学上看到物体的方式，因为你眼球中的晶状体将光线聚焦到你的视网膜上，眼睛后部的视杆细胞和视锥细胞记录下光线，并将其发送到大脑，然后大脑将其处理成图像。

但是，通过使用相干光（例如来自激光的光）和记录表面上的特殊乳剂，您不再局限于记录光图像，而是可以记录和创建整个光场的地图。光场中编码的信息的一部分是图像中每个对象的三维位置，包括以下特征：

·密度的变化，

·纹理，

·不透明度，

·和相对距离。

所有这些特性都编码在光场中，并忠实地记录在二维全息图表面上。当该表面被适当照亮时，它将向任何观察者显示全套记录的三维信息，并且将从所有可能的视角进行显示。通过将此二维光场/图打印到金属薄膜上，您可以创建传统的全息图。

麻省理工学院博物馆的这张全息图看起来像一个三维物体，但实际上它只是一个编码在全息图表面上的二维光场。全息图是低维表面，它编码了高维空间中整个高维物体的信息。全息原理的理念是，我们的宇宙和描述它的量子场论定律是包含量子引力的高维时空的表面。

这个想法还有其他物理应用吗？

全息图背后的重要思想在物理学中其实无处不在：你可以检查低维表面，不仅可以获得编码在其上的高维现实的大量信息，还可以获得完整的信息，揭示有关该高维现实的全部物理属性。关键是让低维表面成为高维空间的边界；如果你能做到以下两点：

·理解支配高维空间的规律，

·并测量足够多的编码在该空间边界表面上的属性，

然后你就可以完全得出关于该区域内部发生的精确物理状态的结论。

例如，你可以在电磁学中实现这一点，通过测量包围该区域的表面上的三种属性中的任何一种——使用狄利克雷、诺伊曼或罗宾边界条件。你可以在广义相对论中做一些类似的事情，但要注意的是，如果你处理的不是封闭的时空流形，则必须添加额外的边界项。在物理学的许多领域，如果你知道支配边界和它所包围的空间区域的定律，只需测量边界上编码的足够多的属性，你就可以确定描述内部的全套物理属性。

澳大利亚的线性加速器内的这组射频腔由非常复杂的电磁装置组成。如果你在这个腔体内或体外的任何区域周围画一个假想的二维边界，那么如果你测量了足够多的表面编码信息，你就可以得知你边界内体积的情况。

这种分析甚至可应用于黑洞，尽管它们只在量子模拟系统中进行过测试，因为我们还没有真正精确地测量黑洞以验证这一想法。理论上，每当单个量子落入黑洞时，因为黑洞本质上是存在于我们宇宙中的三维空间实体，所以它们会携带它们之前拥有的所有量子信息进入黑洞。

但是当黑洞衰变时（它们会通过霍金辐射进行衰变），发出的辐射应该只具有黑体光谱，不具有质量、电荷、自旋、极化或形成它们的量子的重子/轻子数等记忆。这种非保守性质被称为黑洞信息悖论，只有两种现实可能性：要么信息最终不守恒，要么信息在蒸发过程中必须以某种方式逃脱黑洞的控制。

甚至很有可能，在事件视界上或内部存在一个二维表面，进入黑洞并从黑洞辐射出去的所有信息都保存在这个表面上。全息原理应用于黑洞后，可能实际上可以解决黑洞信息悖论，从而在此过程中保持幺正性（即所有可能结果的概率总和必须等于 1）。

黑洞表面可以编码信息位，与事件视界的表面积成正比。当黑洞衰变时，它会衰变为热辐射状态。随着物质和辐射落入黑洞，表面积增大，使信息能够成功编码。当黑洞衰变时，熵不会减少，而是保持不变，因为霍金辐射是一个熵守恒（绝热）过程。

我们的宇宙本质上是全息的吗？

现在，我们处在一个四维时空：有三个空间维度和一个时间维度。但如果这不能代表现实的全貌，那该怎么办？如果有更多我们根本无法接触到的维度，而我们所感知的四维宇宙实际上是一个更高维实体的边界。那么这个更高维实体其实就以某种方式代表了我们的“真实”宇宙吗？

这是一个疯狂的想法，但它的根源在于一个看似不相关的学科——弦理论。

弦理论起源于一个用来解释强相互作用的提议——弦模型。因为质子、中子和其他重子（以及介子）的内部已知具有复合结构。但它给出了一大堆与实验不符的荒谬预测，包括自旋为 2 的粒子的存在。但人们认识到，如果将能量尺度提高到普朗克尺度，弦框架就可以将已知的基本力与引力统一起来，因此弦理论诞生了。

我们的宇宙可能被限制在三维空间和一维时间中，我们所处的宇宙实际上可能只是我们无法接触的高维宇宙的一小部分。然而，在这种情况下，必须考虑各种各样的限制。

这一试图成为物理学“圣杯”的尝试的一个特点（或缺陷，取决于你如何看待它）是它绝对需要大量的额外维度。因此，一个大问题就是，我们如何从一个可以给出许多其他维度的理论中得到只有三个空间维度的宇宙？既然弦理论有许多可能的实现，那么哪种弦理论是正确的？

也许，人们意识到，现有的许多不同弦理论模型和场景实际上都是从不同角度看待同一基本理论的不同方面。在数学中，两个彼此等价的系统被称为“对偶”，与全息图相关的一个令人惊讶的发现是，有时两个彼此对偶的系统具有不同的维数。

物理学家对此感到非常兴奋的原因是，1997 年，物理学家胡安·马尔达西纳提出了AdS/CFT 对应关系，该对应关系声称我们的三维（加上时间）宇宙及其描述基本粒子及其相互作用的量子场论，与在量子引力理论中发挥作用的高维时空（反德西特空间）是对偶的。

高维空间（通常称为“体”）在数学上等同于定义体边界的低维空间（称为膜），这是 AdS/CFT 对应的核心思想。这里展示了胡安·马尔达西那 (Juan Maldacena) 于 1997 年得出的 5 到 4 维关系的低维类似物。

在过去的 25 年里，物理学家和数学家尽其所能地探索了这种对应关系，事实证明，它已被有效地应用于许多凝聚态和固态物理系统。然而，就整个宇宙的应用而言，特别是应用于一个至少有 10 个维度的框架（这是弦理论的要求），我们遇到了一系列不那么容易解决的重大问题。

首先，我们非常确定我们并不生活在反德西特空间中，因为我们已经测量了暗能量的影响，这些影响表明宇宙的膨胀正在以与正宇宙常数一致的方式加速。具有正宇宙常数的时空看起来像德西特空间，而不像具有负宇宙常数的反德西特空间。从数学上讲，由于一系列问题（如气泡成核/渗透问题）出现在德西特空间中而不是反德西特空间中，我们无法建立相同的对应关系。

弦理论可能是一个充满理论潜力的迷人想法，但它无法解释为什么宇宙常数、初始膨胀率或总能量密度等如此精细调整的参数的值具有它们现在的值。AdS/CFT 对应关系的一个更重要的缺陷是“AdS”代表反德西特空间，这需要负的宇宙常数。然而，观测到的宇宙有一个正的宇宙常数，这意味着德西特空间；没有等效的 dS/CFT 对应关系。

另一方面，我们所发现的唯一对偶性将高维空间的性质与其低维边界联系起来——即维度减少一。二维全息图只能编码三维信息；四维共形场论 (CFT) 是 AdS/CFT 对应的一部分，仅适用于五维反德西特空间。还有紧致化问题——如何首先将维度减少到不超过五维仍未得到解决。

当然，还有一个问题可能确实存在：我们对宇宙常数的符号和维数都搞错了。然而，当两个不同维度的空间在数学上互为对偶时，人们有时可以获得比最初想象的更多的高维空间信息。当然，表面低维边界上的信息比表面所包围的整个空间体积内的信息要少。这意味着，当你测量边界表面上发生的一件事时，你可能会最终了解到更大、更高维体积内发生的多件事。

两个量子可以瞬间相互纠缠，即使相隔很远，这一想法经常被认为是量子物理学中最诡异的部分。如果现实从根本上是确定性的，并由隐藏变量控制，那么这种诡异性就可以消除。不幸的是，消除这种量子怪异性的尝试都失败了，像 AdS/CFT 对应这样的猜想可能涉及潜在的客观现实，所有这些都需要一些奇特而未经证实的东西，例如调用额外维度和负能量。

还有一种疯狂的可能性，可能与2022 年的量子纠缠诺贝尔物理学奖有关：在更高维度空间中发生的某些事情最终可能会将低维边界上两个截然不同、看似不相连的区域联系起来。如果你对这样的想法感到困扰：测量一个纠缠粒子似乎会立即为你提供有关另一个纠缠粒子的信息，看起来好像通信发生得比光还快。那么全息原理可能是你找到物理根源救星的最大希望。

然而，过去 25 年，我们可能并没有更进一步发现额外的维度，也没有了解它们是否与我们的现实相关，更没有提供任何重要的理论见解来帮助我们更好地理解我们自己的宇宙。然而，二元性是不可否认的，它是一个数学事实。AdS/CFT 对应关系在数学上将继续很有趣，但它有两个主要问题：

·它发出了明显错误的暗能量信号，

·它只适用于五维，而不是弦理论所需的十维（或更多）。

问题依然存在，尚未得到解决。宇宙是全息图的想法，即全息宇宙，也许有一天会引导我们进入量子引力。然而，在这些难题得到解决之前，我们无法预见我们将如何到达那里。

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