宇宙全息論的新證據(jù)

布萊恩.克伯倫+姜德杰

現(xiàn)代宇宙學(xué)的巨大奧秘之一就是我們的宇宙為何能有如此的熱均勻——巨大的宇宙充斥著大爆炸的熱量。隨著時(shí)間的推移，它已經(jīng)冷卻到了絕對(duì)零度以上幾攝氏度，但仍然可以在被稱(chēng)為宇宙微波背景的微波輻射上觀察到。無(wú)論從哪個(gè)角度觀察，這個(gè)宇宙背景的溫度基本相同，差別微乎其微。但是根據(jù)宇宙學(xué)的“冷暗物質(zhì)”模型，早期宇宙的更熱和更冷區(qū)域沒(méi)有足夠的時(shí)間使其溫度平均化。即使今天，我們也會(huì)期望宇宙背景的某些地方比其他地方更溫暖，但這不是我們觀

察到的實(shí)際情況。

這個(gè)宇宙學(xué)問(wèn)題的一種解釋是早期膨脹說(shuō)。如果早期可觀測(cè)宇宙極其微小，就可快速實(shí)現(xiàn)溫度均勻。然后，該宇宙迅速膨脹，形成了我們今天觀察到的宇宙。我們沒(méi)有任何直接的證據(jù)證明這個(gè)宇宙早期膨脹說(shuō)，但因其可解釋多個(gè)宇宙學(xué)問(wèn)題，便成為一個(gè)被廣泛支持的觀點(diǎn)。

宇宙可被視為一個(gè)具有較小維度的“表面”。

最近，一個(gè)天文學(xué)家小組研究了來(lái)自普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，其收集的數(shù)據(jù)是迄今關(guān)于宇宙背景最準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。他們想對(duì)比天空中各大區(qū)域之間的天空波動(dòng)，即低多極矩，以期得到對(duì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型和較為陌生的全息模型的預(yù)測(cè)。

如果你周?chē)囊磺?，從遙遠(yuǎn)的星球到你的雙手，都是全息圖會(huì)怎么樣？就像柏拉圖理想國(guó)中的洞穴一樣，我們的固體世界和三維空間僅是一個(gè)二維現(xiàn)實(shí)的陰影。從人類(lèi)角度看，全息宇宙與我們期望的現(xiàn)實(shí)難以區(qū)分，但是從宇宙的尺度上看，我們或許能探測(cè)到微妙的差異。

在宇宙論的全息觀點(diǎn)中，早期膨脹是由量子場(chǎng)的相互作用引起的，膨脹或許會(huì)輕微改變宇宙微波背景的外表。低多極矩尤為如此，這種改變至少能在理論上證明全息原理是正確的。他們?cè)凇段锢碓u(píng)論快報(bào)》上發(fā)表論文稱(chēng)，全息模型比標(biāo)準(zhǔn)模型更符合普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。結(jié)果雖然沒(méi)有證明宇宙是全息的，但是與全息模型相一致。

“我們的宇宙或許是全息的”這一觀點(diǎn)來(lái)自弦理論。盡管弦理論還沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)證明，但是其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)有理論模型的支持。弦理論中的全息原理就是一個(gè)例證。以其最廣義的形式，全息原理認(rèn)為，要了解空間的某個(gè)特定體積內(nèi)的任何東西，都可以通過(guò)觀察包裹著該體積的表面來(lái)了解。正如全息圖可以在一片玻璃或塑料中含有三維圖像一樣，宇宙可以在一個(gè)表面內(nèi)含有其龐大的體積。

假設(shè)有一條包含起點(diǎn)線和終點(diǎn)線的16千米長(zhǎng)的道路，這條路上的限速為每小時(shí)96千米。如果我們想知道一輛汽車(chē)是否超速，一種方法是讓該車(chē)跑完全程并測(cè)速，另一種方法是只需記錄汽車(chē)穿過(guò)起點(diǎn)線和終點(diǎn)線的時(shí)間。限速96千米/時(shí)，意味著汽車(chē)每分鐘行駛1.6千米，所以如果汽車(chē)從起點(diǎn)線跑到終點(diǎn)線的時(shí)間少于10分鐘，我們就知道汽車(chē)超速了。

如果全息原理是真的，那么我們可以從兩種途徑看待宇宙：一是把它看成空間和體積體，即我們直觀地體驗(yàn)到的那樣；一是把它看成少一個(gè)維度的“面”。這種全息二象性在數(shù)學(xué)方面是很強(qiáng)大的，因?yàn)閼?yīng)用視角不同，有些物理定律可能要容易一些。

恒星和星系間引力的不斷扯動(dòng)左右著宇宙的結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)在這個(gè)時(shí)期，引力與其他力相比較弱，被描述為廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)。在二象全息論中，重力被描述為可以與質(zhì)量強(qiáng)烈作用的量子場(chǎng)。由于計(jì)算弱相互作用比計(jì)算強(qiáng)相互作用更容易，所以現(xiàn)在廣義相對(duì)論的方法更有用。然而，在宇宙的早期，當(dāng)宇宙熱而密實(shí)的時(shí)候，相對(duì)論的引力場(chǎng)是很強(qiáng)的，因此全息觀點(diǎn)的量子場(chǎng)可能更容易處理。

標(biāo)準(zhǔn)模型和全息模型可解釋早期膨脹這一事實(shí)支持我們的宇宙適應(yīng)于全息原理這一觀點(diǎn)。宇宙膨脹仍然是個(gè)謎，但是通過(guò)把宇宙看作是全息的，我們或許能解開(kāi)這個(gè)謎。