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宇宙只一个巨大而细节丰富的2D全息投影?
来源 : 科学之家   发布时间 : 2016-01-27 17:04

图片来源:dim4ik-69/shutterstock


有时候,科学发现会揭示一些令我们非常震惊的事实,从根本上颠覆人类几千年来对于宇宙的认知,从发现地球是一个球形体到狭义相对论,科学已屡次改变我们对已知世界的认识。

最近的一项研究也将有可能颠覆我们对宇宙的认知。日前,美国伊利诺斯州费米国立加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的研究人员开展了一项全息干涉仪实验,用来验证我们所了解的宇宙是否只是一个2D全息图,而不是一个真实的 3D 宇宙。

全息干涉仪实验基于全息原理,其基础理论由物理学家杰拉德•特•胡夫特(Gerard ‘t Hooft)在20世纪70年代提出。全息原理是霍金开创的黑洞热力学的一个分支,它试图用一切事物都逃不出黑洞的观点,证明热力学第二定律的合理性。胡夫特认为,黑洞的总能量由其表面面积决定,而非体积。这表明一个系统(如黑洞,或是整个宇宙)包含的所有信息都存在在这个系统的边界内。这一理论之所以被称为全息原理,是因为它将一个三维物体的信息限定到一个二维表面。传统的全息图就是以这种方式工作:一个物体被反射到二维表面,但同时也具有立体感效应。因此,根据全息原理,我们的所知所感受均来源于一个平行的存在,它将事物投影到二维表面,然后反射到我们眼中。

在理论上,有一些理论与全息原理相互矛盾,这些理论运用经典力学的原理来确定黑洞的,而非量子力学原理。熵是衡量粒子在系统中分散度的量,常用于衡量系统中的能量。这些与全息原理相互矛盾理论表明:黑洞的总熵大于表面面积所允许的量。显然,这与胡夫特提出的黑洞边界包含黑洞内所有信息的观点矛盾。

费米国立加速器实验室的这次实验首次尝试去证明一个大胆地猜想,即我们的宇宙就是一个围绕全宇宙的二维球体的全息投影。研究人员推测,宇宙是由很多比原子还要小很多倍的微小数据包组成,这些数据包可称之为"像素"。他们认为,这些像素的存在可以为我们的世界设定一个精密度,就像电脑屏幕上所能显示的"像素"总量(即屏幕分辨率)决定了它的清晰度一样。同时,这一猜想还认为这些微小的粒子间存在“量子振动”(quantum jitter),一些特殊的仪器可以将“抖动”测量出来。

图片说明:两个干涉仪的真空容器的俯视图。 图片来源:Fermilab

为了验证这个猜想,并找出全息图存在的证据,研究人员使用了一种被称之为激光干涉仪的仪器,它能将激光束分离开,并使之垂直向下发射40米左右,之后一个镜面系统会将激光反射回干涉仪重组,这个实验能使研究人员测量激光束的传输距离。如果猜想是正确的,由于粒子间存在的“量子振动”,测量到的镜子之间的距离应该会有一些微小的差异。

但实验最终一无所获,激光束在反射后又回到了原来的位置,并没有出现微小的起伏。这一结果并不令研究人员感到意外,因为早在2012年,一位物理学家就在他的一篇博文中提到,尽管全息原理很有意思,但大多数的物理学家对它毫不关心,并且不认同这一原理的任何观点。

虽然对全息原理的质疑早就存在,但费米国家加速器实验室粒子天体物理中心的主任(也就是本实验的主持人)在开展这项实验时并没有被阻止,他表示虽然实验结果并不理想,但他们并不会就此放弃,并会继续研究。目前的实验结果是基于150个小时运行的数据得出的,几个月后他们会收集到更多的数据,这些数据也许会使他们得出更确切的结论。

事实上,历史上也有另外一个使用激光干涉仪的失败实验,这个实验催生了狭义相对论,也宣告了现代物理学的到来。因此,虽然这次实验失败了,但也许其后续的实验结果能让人类在更深层次探索宇宙的道路上,迈出新的一步。

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