发布日期：2022.05.26
科技创新 视界物理
全息宇宙观
全息宇宙观
7.1 黑洞全息惊天发现
相对论与量子力学的分庭抗争，成为二十世纪物理学的主旋律。但在一个地方，两者都得到了用武之地，并且相互合作，这个研究课题就是黑洞。黑洞是宇宙中大质量天体消亡后塌缩形成的，质量非常大，以至于光都无法逃逸，因而形成了黑洞。
在黑洞里，物质的结构都被碾碎了，什么物质都不能存在了，那么黑洞里还剩下什么呢？英国著名物理学家斯蒂芬·霍金究其一生都在研究黑洞，他发现黑洞会蒸发。物理学家还发现黑洞有温度，有熵。在黑洞里一切物质都被碾碎后，物质所包含的信息依然存在，而且只剩下信息。黑洞里面到底是多么混乱，还是有某种秩序，这都可以通过一个衡量事物混乱度的物理量——熵来计算。熵也是信息的一种衡量，所以物理学家对黑洞的熵展开了深入的研究。
以色列的贝肯斯坦首先提出了有限能量有限空间内熵的一个上限，最终与霍金的研究一起得到了贝肯斯坦-霍金公式，用来计算黑洞的熵。黑洞的熵恰恰是两个量的商，即视界面积和普朗克长度得平方。视界面积就是黑洞的表面积。直观上似乎黑洞视界似乎是一张网，每个网格得大小是普朗克长度（物质宇宙的最小尺度）。黑洞里有多少东西，与黑洞三维的体积无关，却与二维的球表面积有关，这大大违背了人们的常识。
在相对论和量子物理在黑洞理论研究的较量与迷雾中，量子物理学家坚信黑洞不会违法量子物理。诺贝尔奖得主特霍夫特（Hooft G’t）就是这样一位坚信者，他在1993年猜测，黑洞熵现象是一个全息效应，不但黑洞是这样，任何一个系统在量子力学中都可以由其边界上的理论完全描述。1994年，沙氏金（Susskind L）将这个猜想上升为原理，任何含有引力的量子系统都满足全息原理。
全息原理很好的解释了为什么黑洞里的信息仅仅与黑洞的表面积有关，而不是与黑洞的体积有关。好比我们看一个立体电影，立体电影中的图像全是由二维胶片中投影播放的，所有立体信息都存储在二维胶片上。这个原理完全颠覆了我们对经典三维空间之宇宙的认识。我们可能只要由二维空间的信息，就可以投影出三维宇宙了。
全息原理的流行还得得益于1997年马德西纳一篇著名论文。马德西纳用数学计算来证明低维等同于高维度的全息原理的可行性。马德西纳猜想经常被叫做反德西特/共形场论对偶，也就是说，一定的反德西特空间上的量子引力，对偶于比反德西特空间维度更低的共性场论。比如说，五维的反德西特空间上的弦论等同于四维空间上的超对称规范理论。
如今马德西纳的论文已经成为全球引用量最高的论文。全息原理也成为物理学主流接受的理论，打开了我们对宇宙认识的一扇新大门。我们看见的宇宙是由信息全息投影构成的一个全息世界。
7.2 时空的形成机制
我们在电影院中看电影时，电影中所有信息都存在胶片里。投影仪的光打在胶片上，投在大屏幕上，形成了动态电影。胶片距离大屏幕越远，电影的空间就越大。不管是大屏幕播放，还是小屏幕播放，快进还是慢播，电影的信息量是一样的。胶片上的信息，等同于小屏幕上的信息，也等同于大屏幕上的信息。这种等价关系可以作为理解全息原理的一个简单类比。
当然在真实的全息宇宙中，量子信息的全息性是更复杂的。量子信息不局限于光，而是囊括了宇宙中所有的信息。光、物质、空间（以太），乃至更多物理学还不知道的存在，都遵循着信息的全息原理。
回顾第二章中我们着重讲解的等角螺旋，它是天然的全息信息载体。等角螺旋其外无穷大，如同茫茫宇宙的无限；其内无穷小，如同黑洞中心的奇点。等角螺旋是自相似的，在等角螺旋上的任何一个同心圆，都包含了相同的等角螺旋信息。以等角螺旋的模型来理解黑洞的话，黑洞的全息理论就是非常直观的一个现象。
回顾第三章中引力的漩涡模型，空间的漩涡会造成空间扭曲而形成引力。黑洞是一种极致强大的漩涡，它强大到让物质和光都无法讨论黑洞形成的空间曲面之陷阱。虽然普通的行星、恒星没有黑洞这么强大，但漩涡的原理是一样的。因为漩涡运动而有了引力感，而空间也是漩涡的表现：从地球的空间，到太阳的空间，再到银河系的空间，空间都是相对于不同漩涡的位置而存在。作为空间的孪生子，时间也是相对于时空漩涡而存在，在越大的漩涡中，时间就越长。比如银河系旋转一圈的时间，就达到了2.2亿地球年。
全息原理提出后，我们可以以更高的视角来理解时空。原来我们理解的空间漩涡、以太漩涡的模型，现在可以理解为更深层次的信息漩涡模型了。无论是物质、以太还是空间，都是信息的集结及表现出来的现象。当信息以不同的秩序、规则组合时，就可以形成物质和时空，而物质和时空依然遵循信息的全息原理。
虽然看起来依然是漩涡，但从物质、空间到信息的认识飞跃造成了本质的改变。信息是可以传播的，也是可以复制的；也就是说，物质可以被复制，也可以被创造出来，只要你有足够的能量来重组信息。只要按照特定的漩涡方式重组信息，不仅可以制造出原子，也可以制造出星系和恒星。
著名物理学家狄拉克曾提出大数假说，因为引力与电磁力强度的比例，与宇宙与原子尺度的比例大致相等，都在1039量级上，因此认为两者有关联。在大数假说的基础上，延伸出“物质创生”猜想，也就是宇宙在无形的虚空中不断创造出物质。狄拉克的猜想虽然未被证实，但以重组信息形成漩涡的方式在理论上确实可以创生出物质乃至星系。当然人类暂时是没有这个能力的，但对造物法则来说，重组信息却是举手之劳。
7.3 全息子与全息图
等角螺旋是一种可以无穷放大、又无穷缩小的信息，其中的一个片段就是一周。将一个片段无限重复，就形成了一种无限的全息图（Hologram）。全息图并不局限于等角螺旋的样式，而是可以有千姿百态不同样式的全息图。在古希腊哲学中，全息图就是一个很重要的概念。古希腊人把构成无穷全息图的样式的片段叫做“子整体”（Holon）。“子整体”就是一种分合体图形，即使整体，又是子集，自相似且无限循环。我们不妨“子整体”称为全息子，它如同一个种子，无限复制就形成了一种全息图。
全息图是全息子的无限复制，其中的部分与整体是合一的。古希腊的哲学在人类生活常识中并未受待见，因为人类的理解力有限，也没有太多的应用。直到二十世纪计算机科学发展到一定高度的时候，分形学（Fractal）才再次进入人类求知重视的范围。分形（Fractal）是最接近古代哲学中子整体（Holon）的概念，也最贴切宇宙的样式，所以被称为“大自然的几何学”。
分形与全息在宇宙中无处不在。物质界最常见的全息图象就是等角螺旋，因为它在物质界中的普遍性，自然被人们经常注意到。海边的螺旋形海螺，螺旋形的花朵绽放，再到夸克和星系，都是等角螺旋全息图的映射。中国哲学则把螺旋全息图概念应用到了生活和文化中，那就是周易的思想和方法论渗透到文化中的方方面面。
不过超越螺旋全息图的更丰富的全息图，其中的规律和哲理却多被人们所不解和忽视。比如，柏拉图立方体的每一种都代表一种全息子，它们在宇宙中无限循环就代表着某种类型的信息及能量模式。所以柏拉图定义它们为宇宙中的水火风土及以太元素，并非空穴来风。犹太的卡巴拉、佛教的曼陀罗、埃及的梅尔卡巴都代表着宇宙中的某种全息图像，具有深刻的宇宙信息之本源意义，只不过因为它们超越了物质实相，所以尚未被主流科学所能理解。
7.4 宇宙万物全息相关
宇宙是全息的，所以宇宙中的万事万物是息息相关的。全息图中，整体包含着子集，子集跟整体又是相似的重复。这种全息式的关联性不仅仅局限于物质，也适用在超越物质的宇宙能量场，乃至生命与精神。
中医就是遵循了宇宙的全息性，把人体的“小宇宙”和天地之“大宇宙”完全关联在一起，形成详细独特的映射关系，并通过这种关联和映射来调整信息间不和谐产生的冲突，达到治病的效果。中医区别于西医在于它是一门系统信息科学，让人叹为观止。在各大古文明中都有这种全息学，比如在印度的古老传承中，阿育吠陀就是类似于中国的中医的学问。
宇宙的全息关联性也通过音乐和振动所表现和传达。正因为如此，本书第一章就先研究了音乐在全宇宙的共性，因为和谐规律在每一个八度循环中都是一样的。同样的共振和谐律对宇宙的每一个层面都是通用的，哪怕跨越一百个八度。本书第二章展示了这种相似性层层循环，可以达到无穷大与无穷小。其大无外、其小无内，无穷无尽，而每一个层次循环中，信息共振律却保持一致，这就是全息原理的合一性。
宇宙乃全息，信息皆振动，所以小中有大，大中见小。这即符合道家的太极思想、“天人合一”的理念，也解释了佛经的“一花一世界，一叶一如来”的哲学。《约翰福音》开篇说，“太初有道，道与神同在”。道的本质是一种信息，只不过不是普通的信息，“非常道”。道必然是全息信息的创世法则，他用特有的全息图的规则，构建了宇宙。
诺贝尔奖得主杨振宁反对国家跟随西方的脚步花巨资修建量子对撞机，他说“量子力学已经走到了尽头”。中国要在基础理论研究上弯道超车领先全球，必须打破现有物理学理论的桎梏，才能捧得大一统理论的圣杯。新物理学的突破口，最有希望的出路就在全息图形和数字规律的研究上。
摘自《数字宇宙》第7章
2022-02-11 09:43
相关热门
关于作者
热门博客
博客分类