主题：【讨论】中国传统文化的时空概念1、引子 -- wqnsihs

驱车行驶在汉诺威南部的乡村，很容易错过GE0600实验场。从外面看，它毫不起眼：在田野的一角矗立着各种盒状临时建筑，两条覆盖着轧纹刚的长壕向外延伸，相互之间成恰当的角度。然而，静静地躺在金属表面下的，是一台长达600米的探测器。

在过去的七年中，这台德国装置一直在探测引力波——由诸如中子星和黑洞这样的超密度天体引发的时空波动。目前GEO600 还没有找到任何引力波，但它可能在无意中获得了半世纪以来最重大的物理发现。

很多月以来，GEO600团队成员一直为巨大探测器中挥之不去的神秘噪音头痛不已。就在这时，一名科研人员不期而至，给他们带来了解释。事实上，在获悉他们的探测工作之前，他就已经预测到了这种噪音。克雷格-霍根（Crarg Hogan）是伊利诺斯州巴达维亚费米实验室粒子物理学实验室的物理学家，他说GEO600无意中发现了时空的极限——在这个临界点上时空不再是爱因斯坦所描述的平滑连续体，而是分解成了“微粒”，正如你把报纸图片无限放大时图片分解成了一个一个的小点。 “看起来GEO600像是在被时空的微观量子震动反复撞击。” 霍根说。

如果这还不足以让你瞠目结舌的话，那么，新任费米实验室粒子天体物理学中心主任的霍根还有更大的惊人之言：“如果GEO600所发现的正是我所猜想的，那么，我们正生活在一张巨大的宇宙全息图中。”

我们生活在一张全息图中？这想法听起来荒诞不经，但却是对黑洞最佳理解的自然延伸，并具有坚实的理论基础。对那些研究宇宙在其最最基本的层次上如何运作的物理学家来说，这一想法也提供了惊人的帮助。

信用卡和纸币上常见的全息图是在二维胶片上蚀刻而成的。当光线在它上面发生折射时，就出现了三维图像。19世纪九十年代，物理学家伦纳德-索斯金德（Leonard Susskind）和诺贝尔奖获得者赫拉德·特霍夫特（Gerard′t Hooft）提出，这一原理也可能同样适用于整个宇宙。我们的日常体验可能只是发生在遥远的二维表面上的物理过程的全息投射。

“全息原理”是对我们感知的巨大挑战。很难相信，你睡醒，刷牙，阅读这篇文章，这一切是由发生在宇宙边缘的某些事造成的。如果我们确实生活在一张全息图中，没人知道这对我们究竟意味着什么。但理论学家有很好的理由相信全息原理的很多方面是真实的。

索斯金德和特霍夫特的这一奇思妙想源自以色列耶路撒冷希伯来大学的雅各布-伯肯斯坦（Jacob Bekenstein ）和剑桥大学的斯蒂芬-霍金（Stephen Hawking ）在黑洞领域做出的突破性工作。在19世纪七十年代中期，霍金论证道，黑洞事实上并不是“全黑”的，而是在缓慢释放射线，这导致它们不断蒸发直至消亡殆尽。这带来了一道难题，由于霍金射线并不传递有关黑洞内部的任何信息。当黑洞消亡时，坍塌成为黑洞的星体的所有信息也消亡了，这跟目前公认的信息守恒原则相悖。这就是所谓的黑洞信息悖论。

伯肯斯坦的工作为解决这一悖论提供了重要线索。他发现，黑洞的熵——即它的信息量——与它的视界表面积成正比。视界是包围黑洞的一个理论表面，由无数临界点构成，物质或光线一旦越过临界点，坠入视界以内就再也无法返回。理论学家据此证明，发生在视界处的微观量子波动调制了黑洞内部的信息，因此当黑洞蒸发时并不存在神秘的信息损失。 ww

重要的是，这提供了深刻的物理理解：前期星体的所有三维信息可完全调制到后期黑洞的二维视界中——正如一个物体的三维图像被调制到一张二维全息图中。索斯金德和特霍夫特将这一理解扩展到整个宇宙，并假定宇宙也有视界——宇宙的边缘，在这以外的光线即使耗尽宇宙已存在的137亿年也无法到达我们这里。另外，好几位超弦理论家的工作已经证实这一想法基本方向正确，其中以普林斯顿大学高等学习研究院的胡安-马尔达塞纳（Juan Maldacena ）为代表，他论证说，在五维的菱格状假想宇宙中，物理规律跟发生在四维宇宙中的物理规律一样。 霍根说，全息原理彻底改变了我们对时空的认识。理论物理学家一直相信，在最微小的尺度上，量子效应将导致时空的杂乱震动。在这种倍率下，时空的结构变成微粒状，最终由像素一样的微小单元构成，这种微小单元比质子还要小万亿亿倍。这一长度就是所谓的“普朗克长度”，10的负35次方米。“普朗克长度”远远超出了任何可想到的实验范围，因此没有人敢想象时空的微粒态也有可能被观察到。

直到有天，霍根意识到，全息原理改变了一切。如果时空是微粒状的全息图，可以把宇宙看作一个球体，外表面上覆盖着“普朗克长度”大小的方格，每一个方格都包含了一个比特的信息。全息原理表明，覆盖在外表面的信息数量必须跟宇宙内部容量所包含的比特数相匹配。

由于球状宇宙的容量远远大于其表面积，这一切怎么可能呢？霍根意识到，为了使宇宙内部所包含的比特数与其边界的相同，宇宙的内部必须由大于“普朗克长度”的微粒构成。“或者，换句话说，全息宇宙是模糊的。”霍根说。

对于那些试图探测时空最小单元的人来说，这是一个好消息。“与所有的预期相反，这把微观量子结构带入现有实验的能力范围内。”霍根说。虽然“普朗克长度”太小，现有实验无法探测，但这种微粒态的全息“投射”可能大很多很多，大约有10到16米。“你是否生活在全息图中，这可以通过测量模糊度来加以辨别。”他说。 ww

当霍根第一次意识到这一点时，他急欲知道是否有实验能够探测时空的全息模糊度。而这正是GEO600所涉及的。

本质上，GEO600这种引力波探测器是一种具有难以置信的灵敏度的标尺。其基本原理是，当引力波经过GEO600时，它将交替地在一个方向上拉伸空间，在另一个方向上挤压空间。为了测量，GEO600团队通过一个叫做“分束器”的半镀银镜面发射一束激光，分束器将激光分离为两束，经过该设备的600米长的直角臂然后反射回来。返回的两束光在分束器处汇合，产生由亮区和暗区组成的干涉图案，图案中，光波要么相互抵消要么相互增强。图案的变换说明直角臂的相对长度发生了变化。

“关键点在于，这一实验能够辨识出极其微小的长度变化，哪怕比质子的直径还要小。”霍根说。

那么它们能够探测出微粒状时空的全息投影吗？在全世界的五个引力波探测器中，霍根认为英德合作的GEO600实验应该最能探测出他想要的。他预测说如果该实验的分束器受到时空量子震动的冲击，将在测量结果上有所反映（《物理评论》，D版，77卷，104031页）。“这种随机抖动将导致激光信号的噪音。”霍根说。

6月，他将自己的预测发给了GEO600团队。“难以置信，我获悉该实验一直检测到意料之外的噪音。”霍根说。GEO600的首席研究主任，来自德国波茨坦的“马-普引力物理学研究所”及汉诺威大学的卡斯滕-丹茨曼（Karsten Danzmann）承认，频率在300和1500赫兹之间的附加噪音已经困惑团队好长时间了。他回信给霍根并寄去一段噪音的曲线图。“跟我预测的完全一样，”霍根说，“看起来好像是分束器发生了附加的旁路抖动。”

“难以置信，实验一直检测到意料之外的噪音——好像量子震动正在引发一种附加的旁路抖动。”

但并没有人——包括霍根——宣布GEO600已经发现了我们生活在全息宇宙的证据。现在下此结论还为时过早。“噪音还有可能来自某种很平常的来源。”霍根说。

引力波探测器极其灵敏，操作人员不得不进行非常艰巨的工作以排除噪音。他们不得不考虑浮云、远处行驶的车辆、地壳的震动以及其他许多许多可能屏蔽真正信号的噪音源。“每天对这些实验灵敏度的改善经常会产生附加的噪音。”丹茨曼说，“我们设法确认它的来源，排除它，并处理附加噪音的下一来源。”目前，GEO600检测到的噪音还没有明确的候选来源。“在这一方面，我认为目前局势不容乐观，但还没到令人担忧的地步。”

GEO600团队曾一度认为引发了霍根的兴趣的噪音源自分束器的温度波动。然而，团队最终发现这最多只能解释噪音的三分之一。

丹茨曼说计划中的几次升级将提高GEO600的灵敏度，并消除一些附加噪音的可能实验来源。“如果采取了这些措施之后，噪音还是丝毫未变，那我们将不得不重新思考。”他说。

如果GEO600真的发现了时空量子震动导致的全息噪音，这对引力波研究人员来说是把双刃剑。一方面，噪音将使他们探测引力波的努力化为泡影，另一方面，它代表着一个更基础的发现。

这种情形并非史无前例。为了探测质子衰变放射性的假想形式，人们修建了巨大的探测器，但这些探测器从没发现这种东西。相反，它们发现了中微子能够从一种类型变化为另一种类型——这其实更重要，因为它告诉我们宇宙是如何被物质而不是反物质填充的（“新科学家”，2008年4月12日，第26页）。

一台原本用来探测引力波的天体物理来源这类庞然大物的设备却在漫不经心间发现了小到不能再小的时空微粒，这很具讽刺意味。“作为一名基础物理学家，我觉得发现全息噪音更有趣。”霍根说。 www.[**].com

小小的代价 ww

如果霍根说的没错，全息噪音将破坏GEO600探测引力波的能力，尽管如此，丹茨曼还是很乐观。“即使这限制了GEO600在某些频段的灵敏度，但却换来了对时空微粒态的首次发现，我们很愿意付出这个代价。”他说，“我们肯定会高兴坏了，这将是很长一段时间内最了不起的发现之一。” www.[**].com

不过，丹茨曼对霍根的建议持谨慎态度，认为还有许多理论工作需要去做。“这很引人入胜，”他说，“但这还不是一种理论，仅仅是一种想法。”跟其他很多人一样，丹茨曼赞同现在盖棺论定还为时尚早。“让我们拭目以待，”他说，“我们觉得至少还需要一年时间才能欢呼胜利。” www.[**].com

谜团未解开的时间越久，人们构建专门设备来探测全息噪音的动机就越强烈。西雅图的华盛顿大学的约翰-克莱姆（John Cramer）赞同说，霍根的预测能跟GEO600实验联系起来，这是“一个幸运的意外”。他说，“很明显，如果聚焦于全息噪音及相关现象的测量和描述，更好的实验研究将不断增多。”

霍根说，一种可行方式是使用所谓的“原子干涉仪”设备。这种设备所基于的原理与激光探测器相同，但使用由超低温原子生成的波束而不是激光。由于原子波束的波长比光波短很多，原子干涉仪更小，构建成本比引力波探测器更便宜。 www.[**].com

如果全息噪音被发现，这究竟意味着什么？克莱姆把它比喻成1964年新泽西贝尔实验室的天线意外发现的噪音。这一噪音最终被证实是宇宙背景微波，大爆炸的余辉。“它不仅为阿诺-彭齐亚兹（Arno Penzias）和罗伯特-威尔逊（Robert Wilson）赢得了诺贝尔奖，还验证了宇宙大爆炸假说，开创了宇宙学的新领域。”克莱姆说。 www.[**].com

霍根说得更明确。“忘掉量子危机吧，我们将能直接观察时间量子。”霍根说，“这是时间最小的间距——用光速分割的普朗克长度。”

更重要的是，对那些企图统一量子机制和爱因斯坦的引力理论的研究人员来说，全息原理的验证将提供非常有用的帮助。目前研究量子引力最常用的方法是超弦理论，研究人员希望它能描述宇宙在最基本层面上的活动。但这并不是唯一的途径。“全息时空被用于某种研究量子化引力的方法，这种方法与超弦理论联系紧密。”克莱姆说，“结果是，一些量子引力理论可能被证伪，而另一些则得到增强。”

霍根赞同说，一旦全息原理得到验证，它将排除那些不包含全息原理的量子引力方法。相反，它将促进那些包括全息原理的方法——包括一些衍生自超弦理论的方法以及所谓的“矩阵理论”。“最终，我们将第一次从量子理论中揭开时空的庐山真面目。”在今后的意外发现中，很难找到比它更具突破性的发现了。

• 人体就是宇宙的全息影照。