宇宙科学原理中篇
(2020-07-04 15:49:45)
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科学科普历史 |
中篇
宇宙是全息计算机
宇宙全息论:
通俗地说,一切事物都具有时空全息性;同一个体的部分与整体之间、同一层次的事物之间、不同层次与系统中的事物之间、事物的开端与结果、事物发展的大过程与小过程、时间与空间,都存在着相互全息的对应关系;每一部分中都包含着其它部分,同时它又被包含在其它部分之中;物质普遍具有记忆性,事物总是力图按照自己记忆中存在的模式来复制新事物;全息是有差别的全息。
伦敦大学的物理学家David
Bohm相信“客观现实并不存在”,尽管宇宙看起来具体而坚实,其实宇宙只是一个幻象,一个巨大而细节丰富的全像摄影相片(Hologram)。
要了解为什么Bohm会做出如此惊人的假设,我们必须首先了解什么是全像摄影相片。
全像摄影相片是靠镭射做出的一种三度空间立体摄影相片。要制作一张全像摄影相片,物体首先必须用一道镭射光束照射,然后第二道镭射光束与第一道光束的反射产生绕射的图案(两道光束交集的地区),被记录于底片上。底片洗出后,看起来无意义的光圈与条纹组合,却在底片被另一道镭射光束照射时,显现出一个三度空间的立体影像。这不同于一般印刷式的所谓全像相片,只有狭窄的角度可见立体影像。真正的全像摄影相片是没有角度限制360度均可见影像,而且必须用镭射光照射才可见影像。影像的立体不是全像摄影唯一特殊之处。如果一朵玫瑰的全像相片被割成两半,然后用镭射照射,每一半都有整个玫瑰的影像。事实上,即使把这一半再分为两半,然后再分下去,每一小块底片中都会包含著一个较小的,但是完整的原来影像。不像平常的相片,全像相片的每一小部份都包含着整体的资料。
全像相片的这种“整体包含于部份”中的性质,给予人们一个全新的方式来了解宇宙组织与秩序。
正如东方宗教的教义,物质世界是一种玛雅maya,一种幻象,虽然人也许以为自己是实质的生物,活在一个实质的世界中,这也是一个幻象。人其实是漂浮在一个充满波动的大海中的“接收者”,从这个大海中抽取出波动来,并转变成实质世界的波动,人只是这个超级全像式幻象的无限波动之一。
全息论:整体中包含着局部,局部中包含着整体。
纠缠态可以使测量一个粒子的同时瞬间获悉另一颗配对子的状态——无论这颗配对子的距离有多远,哪怕它是在银河系的另一边。爱因斯坦由衷地对纠缠态感到痛恨,因此就有了他所说的著名的“幽灵般的超距离作用”。
但是纠缠态却是量子理论的核心。Van
Raamsdonk利用十多年来观点趋同的物理学家的研究成果,赞同这种极具讽刺意味的观点,即尽管爱因斯坦反对,纠缠态可能是几何学的基础,而且也是爱因斯坦的几何引力论的基础。“空间—时间,只是量子系统中物质如何纠缠的几何图像。”Van
Raamsdonk说。
所谓超距作用,基本粒子能够彼此保持联系,而不管它们之间的距离多远,不是因为它们之间来回发射的信号有多么“神秘”,而是因为它们的分离是一种幻觉,在现实下面更深的层次里,这样的粒子并不是分离的两个单独的个体,而是某种更大整体的两部分。
全息理论为我们引出了一个新的视角,宇宙的每一个局部都是包含了整个世界。就好比细胞克隆技术利用一个动物细胞可以复制出与原来相同的动物,正是因为这一细胞包含了这个动物的全部遗传信息。
宇宙是反德西特空间
所谓的反德西特时空(AdS)就是全息原理能成立的具体例子。
目前Maldacena在新泽西州普林斯顿高等研究院工作。Maldacena的研究曾让他思考两个看起来完全不同的宇宙模型之间的关系。其中一个宇宙模型和我们所在的宇宙空间类似。尽管它不会膨胀也不会收缩,但却拥有三个维度,其中充满了量子粒子并遵从爱因斯坦的引力方程。这种叫作反德西特空间(ADS)的概念,通常也被称为“点内空间”。另一个模型也充满了元素粒子,但是它仅有一个维度并且不存在引力。它通常叫作边界,是一个数学上定义的膜,它和点内空间里任何一个给定点之间都隔着无限的距离,然而却又完全包围着这个定点,就像一个二维的气球表面内包围着三维的空气那样。边界粒子遵从量子系统方程,即共形场论(CFT)。
“这看起来不可思议。”Van
Raamsdonk说。Maldacena提出的两重性让他豁然开朗,该观点给物理学家提供了一种在点内空间不考虑引力的思考量子引力的新方法:即物理学家仅需要观察边界上的等效量子态。随后几年内,很多物理学家开始探索这种想法,因此Maldacena的论文也成为当前物理学界引用率最高的论文之一。
利用伊利诺伊大学数学家Shinsei Ryu和京都大学理论物理学家的Tadashi
Takanagi在2006年研究的数学模型,他试图回答这个问题。最终他发现,把边界的量子纠缠降低为零之后,像一块口香糖被拉扯得过远之后发生的结果那样,空间—时间就会被打乱成杂乱的碎块。
“我那个时候觉得,我理解了此前尚未有人解释过的一个基本问题的某些实质。”Van
Raamsdonk回忆说,“本质上说,就是什么是空间—时间。”
在一个被称为反德西特空间的有限宇宙模型中,引力对内部任意一点的作用在数学上与其边界上的量子场论的影响是等效的。这个宇宙能通过一个充满虚拟三角形的二维图形以视觉形式表现出来。虽然这些三角形都是相同的,但它们越接近边缘,看起来就越扭曲。物理学家发现,这个模式和一种叫张量网络的图形很相似。科学家发明了张量网络来表现量子化的粒子在宏观尺度上的相互联系。这些联系就是量子纠缠。
什么是量子纠缠?1935年,阿尔伯特.爱因斯坦,波多尔斯基和纳森.罗森(EPR)指出,相距甚远的不同量子系统之间可以存在一种联系:对一个粒子的测量能决定另一个粒子的状态。
同样是在1935年,爱因斯坦和罗森(ER)表明,两个遥不可及的黑洞能被时空中的通道联结起来,现在往往称之为虫洞。物理学家认为虫洞中的连接和量子纠缠的连接其实是一回事,只是尺度相差非常大。除了大小不同以外,它们没有本质差别。
几何与纠缠的关系是普遍存在的。纠缠是时空交织成一个整体的必要元素------不仅仅是在黑洞这样的特殊的案例中,任何情况下都是如此。
空间的实质是一张量子纠缠三维网络,这些网络的点就是互相纠缠的一个个量子,宏观大质量物体,恒星等,把这张网压得一个个凹陷,边上质量小的物体,就绕着凹陷中心旋转,这就是相对论。引力不过是微观量子纠缠网(空间)变形的宏观力学效应,这样,量子力学和经典物理学相对论就统一起来了。
全息原理:一个量子引力体系的自由度可以由其边界上的自由度所描述。
Ads可以有多种维度。我们的宇宙是一幅全息图。
一个三维的带有引力的世界等价于一副空间边界上的量子全息图。
Ads反德西特空间
每一样发生在Ads空间的事情是一幅全息图,一张关于在遥远的二维面上的关于现实的图像。
2个看起来并不相似的数学世界实际上是相同的。我们的(3+1)维世界和某一个(4+1)维的Ads空间是完全等价的。某一个平面(2+1)维和一个(3+1)维的Ads相等价。
换而言之,一个(2+1)维的包括了所有其他力而不含引力的世界,等效于一个(3+1)维的带有引力的宇宙。
宇宙是虚拟幻象
多名外国学者表示,我们所在的宇宙可能根本就不存在,而我们所感知到的一切都只是虚拟电脑程序创造出来的。简单来说,我们也许生活在和科幻电影《黑客帝国》情节类似的世界当中。
牛津学者说:宇宙并不存在,
只是电脑虚拟程序。牛津大学哲学家尼克.博斯特罗姆表示,就像电影《黑客帝国》中的情节一样,我们自身所处的宇宙并不存在,而是虚构出来的电脑程序。
发现宇宙真相
有趣的是,就在1999年《黑客帝国》上映几周之前,有天文学家分析了来自遥远星系的光束,声称发现宇宙的一些“常数”可能并不是恒定不变的:特别值得一提的是精细结构常数值,这一决定星系光线特征的常数。比100亿年前增大了大约十万分之一。十万分之一这已经是相当大的改变了!这实际上已经证明了宇宙就是计算机,人类生活在数字虚拟宇宙中,是一种数字虚拟生命!
而在2011年,致力于OPERA实验(一项旨在检测中微子振荡现象的实验)的物理学家们声称他们所测量的中微子的速度超过了光速——也就是超出了我们一直认为的宇宙极限速度。
2012年,比恩和他的同事们对“世界是模拟产物”的假设进行了更实际的检验。大多数物理学家认为太空是平滑且无限延伸的,但是模拟早期宇宙的物理学家们却无法轻而易举地重现完美平滑的宇宙背景去容纳原子、恒星乃至星系。他们只能以点阵或是网格的形式进行模拟,就像电视画面由多个像素点构成一样。比恩的团队基于他们的模拟进行了粒子运动的计算,这些粒子的能量将与点阵中点的距离相关:网格越小(越接近平滑),粒子拥有能量就越大。也就是说,如果我们所在的宇宙也是一个这样的虚拟宇宙,我们将在运动最快的粒子上发现最大的能量。而巧合的是,天文学家发现,那些来自遥远星系、包含高速粒子的宇宙射线,最大能量的量级总在大约10^20电子伏特。
这些奇怪的构想还远未止息:虚拟出我们的人也可能是其他人的模拟产物——这是一系列环环相扣的世界,而每个世界都有着各自相同的基本数学物理化学法则。