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我们的宇宙可能由二维的全息图投影而来。图片来源：Forbes 宇宙是张全息图，所有信息存储在它的边界上。 这个想法听起来很荒诞，但2017年1月发表于《物理评论快报》的一项研究发现，宇宙学实验观测与“全息宇宙”的预言相符。
作者 Bec Crew 编译 杨晨 金庄维
几十年来，科学界一直有人半开玩笑地琢磨着这么一个想法：我们的宇宙是个巨大的全息图，或者曾经是、现在不是了。全息图里的物理定律只需要二维，而其间万物却以三维的形式向我们展现出来。（注：文中的二维、三维指的都是空间维数。） 可想而知，这不是个容易证实的假说。不过有些物理学家发话了，说他们现在已经有了一些来自早期宇宙的观测数据，这些数据正好切合上面提到的全息宇宙的图像，匹配度与它们符合标准大爆炸模型的程度不相上下。简单地说，全息宇宙就是将全息原理运用到宇宙：宇宙可以由它的边界（视界），也就是二维的全息图完全描述。
团队成员之一，加拿大安大略滑铁卢大学的 Niayesh Afshordi 说：“我们提出采用这个全息宇宙的方案。虽然它也是一个大爆炸模型，但和那个依靠引力和暴胀、被普遍接受的模型很不一样。” “这些模型都有明确的预测。随着我们完善数据，加深理论理解，预言也能够得到检验——这些都将在五年内完成。”
澄清一下，研究者并不是说我们现在就生活在全息图里。他们说的是宇宙的极早期阶段，大爆炸之后的几十万年之内。那时候的世间万物都是从二维边界投射到三维中的。
如果你对“宇宙是个全息图”的来龙去脉不甚了了，那就回到二十世纪九十年代吧，物理学家 Leonard Susskind 在当时普及了这样一个观点：从技术上讲，我们所理解的物理定律并不要求三维空间。
那么，如果宇宙实际上只有二维，那它如何呈现出三维的姿态呢？
这个问题的核心思想是，空间被“编码”在边界上（这个边界依赖于观察者的引力视界 [horizon]）。因此想要理解三维空间中的物理，我们只需要理解它的二维边界就足够了。这个假说认为宇宙的三维是从一个二维边界投射出来的，就像3D全息投影来自于二维屏幕那样。
1997年以来，支持这个观点的论文已经发表了一万多篇，所以它远不是我们感觉的那样无稽。 现在，Afshordi 和他的团队发文称，他们研究了宇宙微波背景（大爆炸的“余晖”）中的涨落，从中发现了强有力的证据，能够支持早期宇宙的全息解释。
团队另一成员，英国南安普顿大学的 Kostas Skenderis 说：“试想一下，我们的所见、所感、所闻，以及对时间的感觉，实际上都来源于一块扁平的二维场。”
“这个想法和通常的全息图类似。一个二维表面包含着三维图像的编码，有点像信用卡的安全芯片里包含着大量信息。不过，这次编码的是整个宇宙。” 宇宙的全息起源，及其演化为我们所见宇宙的过程示意。图片来源：Paul McFadden/ScienceAlert
尽管大爆炸标准模型看上去要合理得多，但物理学家之所以还要考虑全息原理，是因为标准模型中有些根本性的漏洞，这些漏洞将我们对物理定律的整体理解逼入绝境。
根据大爆炸理论，在极早的阶段，宇宙曾以极快的速度膨胀，也就是所谓的暴胀。暴胀为今天宇宙中各种结构的形成“播下种子”。 虽然大多数物理学家都认同宇宙暴胀，并且提出了各种各样的暴胀模型，但暴胀理论远非完善。实际上，我们在用现有的广义相对论和量子力学来解释大物体及其原子的行为时，并不能做到一以贯之。同样，这些基本的物理定律也没法解释，宇宙的各个成分该怎么裹成那个让人匪夷所思的小东西。
暴胀理论基于爱因斯坦的广义相对论，但是在暴胀之初，宇宙只有亚原子尺度时，量子力学的效应同样不可忽略。可问题就在于，量子力学和广义相对论难以调和。
Ryan F. Mandelbaum 在 Gizmodo 网站撰文写道：“调和两个理论的[假说]之一——量子引力认为，如果舍弃一个空间维度，就可以在计算中甩掉引力，事情也就简单了。”
这就是全息原理的基本想法。
Afshordi 对 Mandelbaum 说：“宇宙的全息描述以低维体系为基础，并且符合我们从大爆炸理论中得到的全部结果。”
为了检验用全息原理对大爆炸的发生及其后续的解释效果如何，研究团队构建了一个具有一维时间和二维空间的模型。
根据真实的宇宙数据，包括那些从宇宙微波背景得到的观测结果（大爆炸发生几十万年后的热辐射），他们发现全息宇宙的预言与数据分析结果完全吻合。
但其中有个问题：结果只在模型宇宙的宽度不超过10度时才完全吻合。
研究者称，要证明早期宇宙确实是全息投影还为时过早。不过现实的观测数据支持全息宇宙，使得我们没有理由将这个方案排除出去。
那么，这是否说明我们现在就可能生活在一张全息图中呢？Afshordi回答说，恐怕不能——他们的模型只适用于极早期的宇宙。至于万物如何从二维变到三维，这个问题现在谁也说不准。
“要我说，我们并不活在全息图里，却可能是从全息图里出来的。” Afshordi 对Gizmodo 网站说，“[2017年]肯定是三维了。”
他们的研究发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 118, 041301 ）上。
原文链接：http://www./holographic-universe-evidence-2017-2 论文基本信息 【题目】 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. |
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