宇宙是個全息圖？實驗觀測與「全息宇宙」預言相符

我們的宇宙可能由二維的全息圖投影而來。圖片來源：Forbes

宇宙是張全息圖，所有信息存儲在它的邊界上。這個想法聽起來很荒誕，但2017年1月發表於《物理評論快報》的一項研究發現，宇宙學實驗觀測與「全息宇宙」的預言相符。

這代表我們生活在二維全息圖裡嗎？放心，我們已經出來了！

作者 Bec Crew

編譯 楊晨 金庄維

幾十年來，科學界一直有人半開玩笑地琢磨著這麼一個想法：我們的宇宙是個巨大的全息圖，或者曾經是、現在不是了。全息圖裡的物理定律只需要二維，而其間萬物卻以三維的形式向我們展現出來。（註：文中的二維、三維指的都是空間維數。）

可想而知，這不是個容易證實的假說。不過有些物理學家發話了，說他們現在已經有了一些來自早期宇宙的觀測數據，這些數據正好切合上面提到的全息宇宙的圖像，匹配度與它們符合標準大爆炸模型的程度不相上下。簡單地說，全息宇宙就是將全息原理運用到宇宙：宇宙可以由它的邊界（視界），也就是二維的全息圖完全描述。

團隊成員之一，加拿大安大略滑鐵盧大學的 Niayesh Afshordi 說：「我們提出採用這個全息宇宙的方案。雖然它也是一個大爆炸模型，但和那個依靠引力和暴脹、被普遍接受的模型很不一樣。」

「這些模型都有明確的預測。隨著我們完善數據，加深理論理解，預言也能夠得到檢驗——這些都將在五年內完成。」

澄清一下，研究者並不是說我們現在就生活在全息圖裡。他們說的是宇宙的極早期階段，大爆炸之後的幾十萬年之內。那時候的世間萬物都是從二維邊界投射到三維中的。

如果你對「宇宙是個全息圖」的來龍去脈不甚了了，那就回到二十世紀九十年代吧，物理學家 Leonard Susskind 在當時普及了這樣一個觀點：從技術上講，我們所理解的物理定律並不要求三維空間。

那麼，如果宇宙實際上只有二維，那它如何呈現出三維的姿態呢？

這個問題的核心思想是，空間被「編碼」在邊界上（這個邊界依賴於觀察者的引力視界 [horizon]）。因此想要理解三維空間中的物理，我們只需要理解它的二維邊界就足夠了。這個假說認為宇宙的三維是從一個二維邊界投射出來的，就像3D全息投影來自於二維屏幕那樣。

1997年以來，支持這個觀點的論文已經發表了一萬多篇，所以它遠不是我們感覺的那樣無稽。

現在，Afshordi 和他的團隊發文稱，他們研究了宇宙微波背景（大爆炸的「餘暉」）中的漲落，從中發現了強有力的證據，能夠支持早期宇宙的全息解釋。

團隊另一成員，英國南安普頓大學的 Kostas Skenderis 說：「試想一下，我們的所見、所感、所聞，以及對時間的感覺，實際上都來源於一塊扁平的二維場。」

「這個想法和通常的全息圖類似。一個二維表面包含著三維圖像的編碼，有點像信用卡的安全晶元里包含著大量信息。不過，這次編碼的是整個宇宙。」

宇宙的全息起源，及其演化為我們所見宇宙的過程示意。圖片來源：Paul McFadden/ScienceAlert

儘管大爆炸標準模型看上去要合理得多，但物理學家之所以還要考慮全息原理，是因為標準模型中有些根本性的漏洞，這些漏洞將我們對物理定律的整體理解逼入絕境。

根據大爆炸理論，在極早的階段，宇宙曾以極快的速度膨脹，也就是所謂的暴脹。暴脹為今天宇宙中各種結構的形成「播下種子」。

雖然大多數物理學家都認同宇宙暴脹，並且提出了各種各樣的暴脹模型，但暴脹理論遠非完善。實際上，我們在用現有的廣義相對論和量子力學來解釋大物體及其原子的行為時，並不能做到一以貫之。同樣，這些基本的物理定律也沒法解釋，宇宙的各個成分該怎麼裹成那個讓人匪夷所思的小東西。

暴脹理論基於愛因斯坦的廣義相對論，但是在暴脹之初，宇宙只有亞原子尺度時，量子力學的效應同樣不可忽略。可問題就在於，量子力學和廣義相對論難以調和。

Ryan F. Mandelbaum 在 Gizmodo 網站撰文寫道：「調和兩個理論的[假說]之一——量子引力認為，如果捨棄一個空間維度，就可以在計算中甩掉引力，事情也就簡單了。」

這就是全息原理的基本想法。

Afshordi 對 Mandelbaum 說：「宇宙的全息描述以低維體系為基礎，並且符合我們從大爆炸理論中得到的全部結果。」

為了檢驗用全息原理對大爆炸的發生及其後續的解釋效果如何，研究團隊構建了一個具有一維時間和二維空間的模型。

根據真實的宇宙數據，包括那些從宇宙微波背景得到的觀測結果（大爆炸發生幾十萬年後的熱輻射），他們發現全息宇宙的預言與數據分析結果完全吻合。

但其中有個問題：結果只在模型宇宙的寬度不超過10度時才完全吻合。

研究者稱，要證明早期宇宙確實是全息投影還為時過早。不過現實的觀測數據支持全息宇宙，使得我們沒有理由將這個方案排除出去。

那麼，這是否說明我們現在就可能生活在一張全息圖中呢？Afshordi回答說，恐怕不能——他們的模型只適用於極早期的宇宙。至於萬物如何從二維變到三維，這個問題現在誰也說不準。

「要我說，我們並不活在全息圖裡，卻可能是從全息圖裡出來的。」Afshordi 對Gizmodo 網站說，「[2017年]肯定是三維了。」

他們的研究發表在《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 118, 041301

）上。

論文基本信息

【題目】 From Planck Data to Planck Era: Observational Tests of Holographic Cosmology

【作者】Niayesh Afshordi, Claudio Corianò, Luigi Delle Rose, Elizabeth Gould, and Kostas Skenderis

【刊期】 Phys. Rev. 118

【日期】27 January 2017

【DOI】 10.1103/PhysRevLett.118.041301

【摘要】 We test a class of holographic models for the very early Universe against cosmological observations and find that they are competitive to the standard cold dark matter model with a cosmological constant (ΛCDM) of cosmology. These models are based on three-dimensional perturbative superrenormalizable quantum field theory (QFT), and, while they predict a different power spectrum from the standard power law used in ΛCDM, they still provide an excellent fit to the data (within their regime of validity). By comparing the Bayesian evidence for the models, we find that ΛCDM does a better job globally, while the holographic models provide a (marginally) better fit to the data without very low multipoles (i.e., l?30), where the QFT becomes nonperturbative. Observations can be used to exclude some QFT models, while we also find models satisfying all phenomenological constraints: The data rule out the dual theory being a Yang-Mills theory coupled to fermions only but allow for a Yang-Mills theory coupled to nonminimal scalars with quartic interactions. Lattice simulations of 3D QFTs can provide nonperturbative predictions for large-angle statistics of the cosmic microwave background and potentially explain its apparent anomalies.

【鏈接】https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.041301

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