我们是高维宇宙在三维空间中的全息投影吗?

宇宙是一幅全息图像吗？

Dominic Alves

全息图像是把三维信息印刷在二维平面上制作而成的。如果我们改变观察角度，它们的形象就会发生改变。在当前的宇宙学中有不少观点认为，我们认为空间只有三个维度，是因为我们只能感知这三个维度，而实际上宇宙中存在的维度要更多。更有一种奇妙的可能性，我们实际上是在特定角度上看到的来自更高维度宇宙的投影。

我们可能都见过平面的全息图像，但大多数人不知道这些图像制作原理。这背后的科学知识十分奇妙。

实验室中全息图像的制作装置。维基共享资源

摄影的原理十分简单。光从物体发出或经过反射后，通过镜头在平面上被记录下来。这个原理不仅适用于摄影，也是人眼工作的方式。光线被眼球聚焦后，转化成生物信号被大脑感知，生成一幅图像。

但是如果使用特殊的感光剂和相干光源（如激光），我们就能制作出一幅包含全部光场的影像，也就是全息图像。拍摄对象的密度、质地、透明度等变化能够被全部记录下来。这样的平面影像在适宜的光照下，会在特定视角下呈现出所有能够被收集到的三维信息，最奇妙的是，我们在所有视角上都可以看到这种展示效果。当我们把它打印在金属底片上后，就能得到一幅常见的全息图像。

我们的宇宙有三个可供感知的空间维度。但它是否拥有更多的维度？就像常见的全息图像是编码在二维平面上的三维信息一样，我们的三维宇宙是否有可能是一种更基本的、四维或更高维度现实的编码？事实上这种可能性是存在的，但是与此同时，我们也必须明白这种可能性是受到限制的。

宇宙是全息图像这个观点来自弦理论。弦理论的基础来自一个假说——弦模型。弦这个概念，是用来解释强互作用力，如质子、中子和其它重子（如介子）的内部结构的。它作出了许多实验无法验证的违反直觉的预言，如它预言存在一种自旋为2的粒子。但是人们也承认，在接近普朗克尺度的能量标准上，弦理论框架就能够把已知的基本作用力和引力统一起来。弦理论的一大特点（也可以被看作是一大漏洞，取决于你怎么看）是这种物理学理论需要有大量的额外维度存在。因此最大的一个问题就是，在这个理论中，我们所知的这个只有三维空间的宇宙为什么会多出那么多维度？且哪一种弦理论的版本才更合理一些呢？

David Trowbridge

也许，多种不同的弦理论模型实际上是同一个基础理论的不同诠释，只是视角不同。在数学中，两个互相等价的系统被认为具有“二元”关系，而与全息图像有关的最令人吃惊的发现之一是，有时候，两个具有二元性的系统可以拥有不同的维数。让物理学家特别兴奋的原因，是1997年物理学家Juan Maldacena提出的AdS/CFT对偶，在这种假想的联系中，我们这个可以用量子场理论对基本粒子和它们的相互作用进行描述的三维（再加上时间）宇宙，与一个被量子引力理论主宰着的更高维度时空（反德西特空间）具有二元关联。

存在于体积内部与封闭边界平面间的AdS/CFT对偶。维基共享资源

到目前为止，人们在高维空间和低维边界间发现的二元性关联只能是连续的，也就是说低维边界的维数只允许比高维减少一个。我们仍不清楚，弦理论中的十个维度如何才能与我们的三维宇宙产生二元性关联。二维的全息图像只能将三维信息编码在内；我们无法将四维信息编码在二维全息图像中，也不能在一个维度中容纳我们的三维宇宙。

地球的全息图像。Kevin Gill

两个拥有二元性的、维数不同的空间之所以有趣还有另一个原因——低维边界表面上所拥有的信息，要比它容纳的全部空间中所包含的信息要少。因此假如我们在其表面测量到一个事件，其内部发生的事件肯定会更多。大维度空间中发生的事件形态可能会与别的位置发生关联，而不是独立的。这种情况听起来非常反常，但如果你听说过量子纠缠这个概念，就会有所理解。对纠缠系统中的一部分进行测量能够即时告诉你另一部分的信息。全息图像可能与这种奇异的本性有关。

StarGazer

二元性是一个数学事实，也是一个迷人的物理学可能。它是否会引导我们对这个宇宙作出更深刻的理解？可能会。但现在我们还不知道多久才会实现，也不知道它是否能够在常规理论和量子引力间建立起我们渴望已久的联系。但这是一个终极期待。假如宇宙真的是一幅全息图像，那才是一个真正伟大的启示！