三维宇宙或许是二维投影:生活在全息宇宙中是一种什么样的体验?

如果有朋友告诉你,我们其实都生活在一个巨大的全息图像中,你或许会让他闭嘴,别再信口开河。

然而不可思议的是,一些物理学家们也抱持同样的观点:我们所认知的三维宇宙或许只是一个巨大的二维投影。

这听起来无异于天方夜谭。在人类的最基本认知中,世界的3D特质就像时光一去不复返一样显而易见。然而有科学家相信,如果我们熟知的每个三维物体都只是二维世界信息的微小亚原子比特的投影,那么爱因斯坦的相对论与量子力学间的矛盾便不复存在了。

“如果真是这样,那将是多么重大的新发现。”维也纳科技大学的理论物理学家Daniel Grumiller说道。宇宙全息理论认为,某些三维空间可以从数学上减少为二维投影,而我们的宇宙正是如此。此前,Grumiller与物理学家Max Riegler、Arjun Bagchi和Rudranil Basu共同发表了研究成果,第一次为宇宙全息理论提供了证据。

三维宇宙或许是二维投影:生活在全息宇宙中是一种什么样的体验?

“20年前,如果你问别人世界是几维的,几乎所有人都会回答‘三个空间维度加上时间。’宇宙全息理论则意味着世界的维度取决于看问题的角度。”Grumiller称。

20多年前,宇宙全息理论作为对霍金著名的信息悖论(即黑洞似乎会吞噬信息,然而根据量子理论这点又不成立)的解决方案被提出。然而这一理论在数学上并非是针对黑洞所设计的。此后数年,理论物理学家Juan Maldacena论证了在一类叫作反德西特空间的理论空间中,全息理论成立。我们的宇宙在宇宙标度上来说相对平坦,而数学家们描述的反德西特空间向内弯曲,呈鞍型。

“反德西特空间与我们的宇宙并无直接关联,但它使我们得以完成用其他方法非常困难甚至不可能执行的演算。”Grumiller解释道。

三维宇宙或许是二维投影:生活在全息宇宙中是一种什么样的体验?

在这一理论空间中,Maldacena证明了引力理论和量子场论这两组方程可以完美地彼此映射。这种一致性完全出乎人意料,因为引力是在三个空间维度中被描述的,而量子场论只需要两个维度。在二维和三维中,物理定律产生了完全一样的结果,这表明了反德西特空间的全息特质。

“这是第一个证明了全息是如何运作的例子。”Grumiller说道。“但既然我们的宇宙在很大程度上几乎是扁平的,并不是反德西特空间,研究全息理论对扁平宇宙也是否适用就很有趣了。”

为了证明我们的宇宙能够被视作一幅全息图,物理量必须用扁平空间中的量子场论和引力理论来计算,而结果也必须相符。Grumiller决定看看量子力学中的一项主要性质——量子纠缠是否能通过引力理论得到复制。更多宇宙解读:www.yangfenzi.com/tag/yuzhou

当两个量子粒子纠缠时,即使相隔万里,它们也无法被独立描述,而是会形成一个单一的量子“客体”。一个量子系统的纠缠程度可以通过纠缠熵来描述。数年的潜心工作后,Grumiller及其团队证明了对于我们的宇宙空间而言,在引力理论和量子场论中计算出的纠缠熵数值完全一样。“这一计算验证了我们的假设,全息理论在扁平空间中也可以实现。”团队中的Riegler在新闻发布会上表示。“这是这种一致性在我们宇宙中成立的证据。”

三维宇宙或许是二维投影:生活在全息宇宙中是一种什么样的体验?

如果宇宙全息理论确实能够描述我们的宇宙,它就可以帮助科学家们解决相对论物理学与量子物理学之间的众多矛盾之处,包括霍金的黑洞信息悖论。同时,它也会为科学家们指明一条以相对简单的引力方程解决某些非常困难的量子问题的道路。但在百分之百确定我们生活在《黑客帝国》里那种矩阵之前,还有许多工作需要完成。

“我们是利用3D引力理论与2D量子场论进行的这一演算,但宇宙实际上是三个空间维度加上时间。下一步就是将这些因素进行概括,再纳入一个更高的维度。此外,在引力理论与量子场论间还有许多其他的量必须吻合,对这些一致性的检验尚在进行中。”

除了理论因素之外,对现实的全息本质进行实验性观察则全然是另外一件事。美国能源部费米实验室的物理学家们正在对此进行尝试。

费米实验室例子天体物理学中心主任Craig Hogan推测,我们的宏观世界如同一个由类似像素的亚原子信息微粒构成的“四维视频显示器”。在我们的宏观肉眼中,身边的每样东西看起来都是三维的。然而把脸靠近电视机屏幕会让像素清晰起来,假如我们在亚原子水平上深深凝望物质,全息宇宙的位图或许也会浮现出来。

如果对于空间的这种描述是正确的,那么,就像所有电脑一样,宇宙的数据存储和信息处理能力也是有限的。这种极限将会有明显的特征,即我们可以测量到的“全息噪音”。

三维宇宙或许是二维投影:生活在全息宇宙中是一种什么样的体验?

Hogan认为,假如我们真的生活在全息图中,最基本的效应就是现实的信息量是有上限的。就像用WiFi在线看电影,如果带宽不够,画面就会出现延迟和模糊。这正是Hogan的实验室想要测量的。他们使用的仪器——全息仪基本上就是个巨大的强力激光指向仪。全息仪由一对激光干涉仪组成,通过一千瓦激光叠加显出的波长干涉来进行测量。科学家通过分析,探测是否有全息噪音,以此来验证全息理论。

现在,我们只能等待着科学家埋头苦心研究,直到有朝一日确定我们的生命是否只是一场构思精妙的梦幻泡影。但同时,我们还将面临一个更大的问题:这段启示录会如何影响我们自身?

三维宇宙或许是二维投影:生活在全息宇宙中是一种什么样的体验?

“相关知识不会对我们的日常生活造成冲击,正如了解宇宙大爆炸和其他星系的相关知识不会改变我们的日常生活一样。”Grumiller评价道。“然而也正如大爆炸深刻地改变了我们对宇宙的看法,宇宙是一幅巨大的全息图也会成为一种意义深远的观点。”

如果我们熟知的行星、星团和星系只不过是宇宙位图上的一个个量子点,我们在《模拟人生》游戏里构筑的世界难道不是和我们认知里的宇宙一样真实吗?目前,或许我们唯一可以肯定的是:如果宇宙只是一个巨大的模拟,它大约已经无限接近于完美了。在这个意义上,活在矩阵中似乎也不像听起来那样悲惨吧。

资料来源:Motherboard、Nautilus、Scientific American、Soul Science
编译:未来论坛 商白

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  1. 跌落过程在宇宙的各个角落都存在。当一个文明发明了二向箔之后就会不断的扔,将周围的一切都二维化,而宇宙中众多文明使用二向箔的后果,不就是全宇宙都变成二维的么。所以,宇宙不会全部“跌落向那片二向箔”,但是二维化的趋势是很难逆转的。

    其实,三体原文中已经有题主想要的答案了,比如歌者和长老的那几句对话:

    “我需要一块二向箔,清理用。”歌者对长老说。

    “给。”长老立刻给了歌者一块。二向箔悬浮在歌者面前,是封装状态,晶莹剔透。虽然只是很普通的东西,但歌者很喜欢它。他并不喜欢那些昂贵的工具,太暴烈,他喜欢二向箔所体现出来的这种最硬的柔软,这种能把死亡唱成一首歌的唯美。

    但歌者有些不安,“您这次怎么这样爽快就给我了?”

    “这又不是什么贵重东西。”“可这东西如果用得太多了,总是……”“宇宙中到处都在用。”“是,到处都在用,可我们以前还是多少有些节制的,现在……”“你是不是听到什么了?”长老在歌者的思想体中翻找起来,让歌者一阵战栗。长老很快找到了歌者听到的传说,这也不是什么罪过,都是种子上公开的秘密。

    是关于母世界与边缘世界的战争,以前不断有战报传来,后来就没有了.说明战事不顺利,甚至陷入危机。但母世界与边缘世界不可能共存,必须消灭边缘世界,否则自己将被毁灭。如果战争无法取得胜利,只能……

    “是不是母世界已经准备二向化了?”歌者问,其实长老已经知道了他的问题。

    长老没有回答,也许是默认了。

    如果真是这样,那是莫大的悲哀。歌者无法想象那种生活,在意义之塔上,生存高于一切,在生存面前,宇宙中的一切低墒体都只能两害相权取其轻。
    以及程心和关一帆的对话:

    “我想起来一件事要问你:太阳系空间向二维的跌落什么时候停止?““永远不会停止。”程心打了个寒战,也吃力地抬起头来盯着关一帆。

    “这就让你害怕了?你以为银河系和整个宇宙中只有太阳系在向二维跌落?呵呵……”

    关一帆的冷笑又让程心的心抽动了一下,她说:“要是这样,你说的就不成立了,至少把降低空间维度作为武器这项不成立。从长远看,这是同归于尽的攻击,如果这样卞去,发起维度攻击的一方所在的空间迟早也要跌落到二维!”

    长时间的沉默,直到程心唤了一声:“关博士?”“你太善良了。”关一帆轻轻地说。“我不明白……”“有一个选择可以使维度攻击者避免同归于尽,你想想看。”程心沉默许久后说:“我想不出来。”“我知道你想不出来,因为你太善良了。很简单:攻击者首先改造自己,把自己改造成低维生命,比如由四维生命改造成三维生命,当然也可以由三维改造成二维,当整个文明进入低维后,就向敌人发起维度打击,肆无忌惮,在超大规模上疯狂攻击,不需要任何顾忌。”

    程心又陷入长时间的沉默中。“你是不是想起了什么?”关一帆问。程心确实在回忆。她想起了四百多年前,“蓝色空间”号和“万有引力”号误人四维空间碎块时,探险队与“魔戒”的对话,当时,关一帆就是探险队的一员。

    这片四维空间是你们建造的吗?你们说自己从海里来,海是你们建造的吗?这么说,这片四维空间对于你或者说对于你的建造者,是类似于海洋的东西吗?

    是水洼.海干了。

    为什么这么小的空间里聚集了这么多的飞船,或者说墓地?

    海干了鱼就要聚集在水洼里,水洼也在干涸,鱼都将消失。

    所有的鱼都在这里吗?

    把海弄干的鱼不在。

    对不起,这话很费解。

    把海弄干的鱼在海干前上了陆地,从一片黑暗森林奔向另一片黑暗森林。

    “为了战争的胜利,竟要付出这样的代价吗?”程心说,她很难想象在降低一个维度的空间中生活是什么样子,在二维空间中,世界万物看上去只是几根长短不一的线段,在三维世界生活过的人,真的可能使自己生活在一张没有厚度的薄纸里吗?当然,三维空间的生活对四维世界的人来说也同样无法想象。

    程心得到的回答十分简单。“总比死了强。”关一帆说。不顾程心的震惊,关一帆接着说下去:“光速也是被频繁使用的规律武器,但为自己建造光墓或你说的黑域不在此列,那只是我们这些弱小的虫子保命的举动,神们不屑如此。在战争中,可以制造低光速黑洞把敌人封死在里面;但更多还是用来防御,作为城墙和陷阱。有的低光速带规模之大,横穿整个星系旋臂,在恒星密集处,大量的低光速黑洞融为一体.连绵千万光年,那是星际长城,无论多么强大的舰队一且陷进去就永远出不来,这是很难愈越的障碍。”“这样下去会怎么样?”程心问。“维度攻击的结果,宇宙中二维空间的比例渐渐增加,终将超过三维空间,总有一天,第三个宏观维度会完全消失,宇宙变成二维的。至于光速攻击和防御,会使低光速区不断增加,这些区域最后会在扩散中连为一体,它们中不同的慢光速会平衡为同一个值,这个值就是宇宙新的C值;那时,像我们这样处于婴儿时代的科学就会认为,每秒十几千米的真空光速是一个铁一般的宇宙常数,就像我们现在的每秒三十万千米一样。当然,这只是举出两个例子,还有其他的宇宙规律被用做武器,但目前为止我们还不知道都有哪些,很可能,所有的规律都能被武器化了,在宇宙的某一部分,被用做武器的规律甚至可能包括……当然这只是瞎猜,太玄乎,我也不相信。”

    “包括什么?”“数学规律。”程心穷尽自己的想象,但仍然无法把握这不可思议的图景,连抓住其一角都难,“这也……太疯狂了!“宇宙会变成一座战争废墟吗?”程心问道,很快想到了一个更准确的表达,或者说,自然规律会成为战争废墟吗?”“可能已经是了……现在,新世界中的物理学和宇宙学只是在干一件事:试图恢复战争前自然规律的原貌。已经有了一个比较清晰的理论模型,描述那个没有被战争改变的宇宙。那真是一个美丽的田园,那个时代,距今有一百多亿年吧,被称为宇宙的田园时代。当然,那种美只能用数学来描述,我们不可能想象出那时的宇宙,我们大脑的维度不够。”程心又想起了那几句对话:这片四维空间是你们建造的吗?你们说自己从海里来,海是你们建造的吗?

    “你是说,田园时代的宇宙是四维的,那时的真空光速也比现在高许多?”

    “当然不是。田园时代的宇宙不是四维的,是十维。那时的真空光速也不是比现在高许多,而是接近无限大,那时的光是超距作用,可以在一个普朗克时间内从宇宙的一端传到另一端……如果你到过四维空间,就会知道那个十维的宇宙田园是个多么美好的地方。”

    “天啊,你是说……”

    “我什么也没说。”关一帆说,像是突然醒来一样,“我们只看到了一点点实情,剩下的都是猜测,你也只把它当成猜测好了,一部我们编出来的暗黑神话。”

    但程心不为所动,径直沿着他刚才的思路说下去:“在田园时代以后的战争时代,一个又一个维度被从宏观禁锢到微观,光速也一级一级地慢下来……”

    “我说过我什么也没说,都是猜测。”关一帆的声音渐渐低下去,“但谁也不知道,真相是不是比猜测更黑暗……有一点是肯定的:宇宙正在死去。”飞船的加速停止了,一切处于失重中。这之前,程心眼中的太空和星海越来越虚化,越来越像噩梦,只有这3G的超重才带来一些实在感,她像被一双有力的臂膀抱着,这种拥抱使她多少能够抵御宇宙的暗黑神话带来的寒冷和恐惧;现在超重消失了,只剩下噩梦。银河系像一大片掩盖血迹的冰渍,近处的DX3906恒星则像深渊上燃烧的焚尸炉。
    所以,看书要仔细啊。

  2. “既然地球是球形的,那另一边的人是如何锻炼出强健的体魄,以至于一辈子都可以抓住地球而不使自己掉下去呢”

    没有嘲笑题主的意思,只是想告诉题主,在完全缺乏相关领域知识的前提下,问题本身往往毫无意义。而为了指出问题内包含的谬误,需要的信息量也远远多于一个能在知乎上写完的答案。

    另,非要简洁而不准确地说的话,并没有“宇宙是11维而地球是3维”,而是11维时空中有三个宏观平坦的空间纬度。。。

    另外11维理论也不必当做客观事实来看待,最早弦论提出的是10维时空,后面M-理论才发展到11维,然而这些理论到现在的状态都是“自圆其说并有一定说服力”,但未必可当做客观事实看待。

    1,11维时空是M理论里的东西,其中只有三维空间和一维时间是展开的,尺度是我们的宇宙尺度,其它的维度蜷缩的尺度非常非常小,“弦”在这些维度里振动,形成了不同的基本粒子。
    2,宇宙四种基本作用力,只有引力能突破三维限制,在更高维的空间中甚至不同的宇宙中传播。其它力被限制在三维空间
    3,光子是传播电磁力的粒子,所以被限制在三维空间内。
    如果宇宙是11维的, 那光也是在11维中传播的,但传播路径 人作为4维生物理解不了,11维中传播的光(因果性),投射在3维传感器上 ,就成了我们所能理解的光,但我们能看到的光又是3维投影在2维的视网膜上的产物。

    所以如果宇宙是11维的,那自然宇宙中所有事物都是11维的,只是很多 事物在其他维度的量为0吧, 或者说 人类作为3维生物,虽然还有 11维不为0的属性,但只能修改其中3维的数据权限,而这3个维跟其他8个维到底有没有函数关系(在不同场合下),并不清楚,也研究不了。

    宇宙完全可以是12维,13维的, XX维的,只要这样能导致计算更简单合理, 就跟日心说与地心说的区别,两种方法都能推测行星轨道,但是日星说推算方式明显 简洁太多。

    如果考虑在大爆炸之后的极短时间内的话,应该是四维的了,在大爆炸的一瞬间,目前是超出物理可以描述的范围的,温度,密度,曲率都是无穷大,广义相对论方程在奇点处崩塌因此尝试描述大爆炸之前的宇宙是很困难的,同时,按照宇宙起源于真空量子涨落,应该不止有一个宇宙诞生了,所以,我感觉,我们的宇宙蛋孵化出宇宙的时候,别的宇宙已经存在了,从这个角度考虑应该是四维的,但这是从极大的角度考虑的,从自己的宇宙考虑,在宇宙处于奇点状态,应该是0维的。

  3. 目前认为,物体运动是不可能超光速的,但是,空间的扩张,是可以的。
    我们都知道宇宙目前还是在不断膨胀的,这个膨胀的速度,是可以超过光速的,也就是说,太阳系和其他星系的距离,可以以超光速的速度离得越来越远。
    所以科学家才预测,总有一天,我们夜晚仰望星空,会一颗星星都看不到,因为星星传过来的光速小于空间膨胀的速度,所以,没有星光能够再到达太阳系,到达地球了。
    转回来说这个二向箔,书中讲的二向箔扩散速度是肯定小于光速的,所以以光速就可以逃离二向箔的攻击。
    既然小于光速,那么,二向箔的扩散就赶不上宇宙膨胀的速度,因此,也就永远无法影响到其他星系,更加不会使整个宇宙二维化。
    当然,书中也有自己的解释,其他答案已经讲了。
    不过,按照目前物理学的原理,可以认为二向箔不会影响整个宇宙。

    在小说假设成立的前提下,逃逸速度是光速不代表跌落速度是光速,而且小说中的跌落速度并不高,跌落时还可以喊出话。 跌落的主体是空间,而空间是膨胀的,叠加起来,宇宙膨胀的速度是大于光速的,这就是3与30万综合症的病因。 跌落速度远小于膨胀速度时,宇宙是不会完全跌落进二维空间的。