2015-11-27 16:43:02
我们看到的立体空间可能完全是眼球的错觉?其实，宇宙本身就是一个巨大的二维全息屏幕，我们生活在二维的全息影像之中?这些听上去犹如天方夜谭的观点，不但有科学理论依据，而且和爱因斯坦的广义相对论有着密切关系。
“爱因斯坦广义相对论否定了牛顿经典力学，认为万有引力是时空弯曲表现出的结果，从中，我们又推演出了宇宙学全息原理以及全息暗能量模型。”知名物理学家、中山大学天文与空间科学研究院院长李淼坦言，模型就是对宇宙演化的“预言”。尽管这是最近二十年来量子引力研究获得的唯一被公认的原理，但“看扁宇宙”的全息理论目前仍然是科学家的小圈子中悄悄进行的一场革命。
今年是爱因斯坦广义相对论诞生100周年，作为人类智慧的结晶和财富，百年以来，从时空穿越、原子裂变，到宇宙起源，广义相对论为后世人类对世界的探索点亮了一盏明灯。当然，这其中也包含了李淼的全息暗能量模型。
近日，由“赛先生”和第一财经研究院主办、《环球科学》联合主办，中科院上海天文台上海地区协办的“百年相对论”系列演讲第二场，在上海海洋大学图文信息中心举行。本次主讲嘉宾李淼，以深入浅出的方式介绍了还很“小众”的全息宇宙学。
同时，平日里爱读海子的诗作，自诩为“诗人”的他，还和中国极地研究中心高级工程师汤妙昌就“科学探索的极限运动——太空VS极地”进行了妙趣横生的对话。“我热爱与别人交流我的微薄的物理学知识，”
李淼在接受第一财经专访时表示，“看上去很严谨的物理科学，它的美丽与诗歌其实难分伯仲。”
我们生活在一张二维全息屏幕中?
按照李淼所描述的宇宙全息原理，我们所在的宇宙就像全息相片一样是两维的。我们的可观测宇宙有一个隐藏的全息屏幕，这个全息屏幕半径最大不会超过五百亿光年。按照这个原理，科学家推算出的，占到宇宙组成76%的暗能量，则很可能起源于这块宇宙全息屏幕之内的量子涨落，这就是李淼的全息暗能量模型。
事实上，关于宇宙维度向来是科学界争论不休的话题。支持弦理论的科学家一直在力证，宇宙是11维的。另一些科学家则认为，随着科学技术的发展，人们还将不断发现宇宙的新维度，也被称为N维派。而大部分普通人都相信自己的所见所感，宇宙乃至我们居住的地球，都是“3+1”维，即由空间和时间构成的。
以李淼作为代表的这一派物理学家，则从爱因斯坦广义相对论出发，大胆推导出了宇宙起源和发展的另一种可能。在牛顿的经典力学框架中，物体之间相互作用的四个常力，万有引力就是其中之一。对很多人来说印在教科书上的文字，已经变成了生活中的常识。但这种物理构架无法解释物体在强引力场中的行为表现。比如，有科学家发现，如果以牛顿定律计算水星近日点的进动,要比实际的天文观测值小。也就是说，经典力学存在漏洞。
爱因斯坦的广义相对论正好弥补了这种漏洞。根据广义相对论的观点，其实万有引力不存在，只是因为时空弯曲，本来会沿着直线运行的物体，就沿着曲线运行。从这个角度，科学家依然能解释地球为什么会围绕太阳转。而当年启发了牛顿的苹果，为什么会落地，并不是因为地球的万有引力，而是因为它受到弯曲时空的挤压，就掉到了地上。
在此基础上，1994年，科学界有人提出了全息原理。这些科学家还在其中引入了热力学第二定律中“熵”的概念。李淼解释，“熵”其实是一种无序度。“打个比方，你在出门前把口袋里的各种数据线整理的整整齐齐，一丝不苟，这时的熵就是零。但是当你重新打开口袋，看到的数据线通常又乱作一团，我们就说，熵变大了。一种看不见的力，让你数据线重新归于凌乱。”
如果将引力视作是在二维曲面上，由于熵的变化而导致的结果，无论是从量子论，还是从爱因斯坦的广义相对论出发，都能讲得通。于是，李淼开始在此基础上构建他的全息暗能量模型。11年前，他以发表论文的形式，提出以全息暗能量模型来解释宇宙加速膨胀的现象。按照李淼的建构方式，这个模型就好比是，在一个有边界框架的宇宙二维曲面上，量子涨落导致了熵的增大，宇宙的各种物质被一种看不见的力所“撕扯”。这是全球第一个可以用来拟合实验数据的全息原理暗能量模型。李淼和他的合作者的论文发表之后，受到天文物理学界的广泛关注，论文总引用次数达到千次，国内外同行以李淼的论文为基础作后续研究的也为数不少。
诺贝尔物理学奖得主斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)说：“寻求完美的宇宙理论科学的努力，本质上是给人类的存在增添一点尊严和意义。”在物理理论领域驰骋30年的李淼，回应则更为平和，“科学不仅有趣，而且它那么美。”对一个像他这样在生活时不时读诗、写诗的物理学家来说，这种美意味着一种秩序，以简洁的形式，在微妙的对称与不对称之间寻找平衡。
对话： “科学诗人”寻找宇宙的秩序感
第一财经：在您向大家介绍宇宙是一块二维的全息屏幕的观点之前，更多人从小说《三体》以及科幻影《星际旅行》中了解宇宙的空间维度。比如，《三体》提出的“火鸡理论”和“农场主射手假说”，假设从在四维维度的生活的更高等的智慧体观察人类，人类显得很“可怜”。而《星际穿越》则出现了五维空间。这种空间构造在宇宙中是否有可能存在?
李淼：所谓的四维空间、五维空间，从力学角度和生物构造角度来看都不可能。我们的身体由分子、原子构成的。而分子、原子之所以能成为分子、原子，是因为在原子核与电子之间的电磁力。如果分子、原子一旦进入四维空间，电磁力就不存在了，分子、原子物质形态因此改变，人的身体当然也会随之解体。而且，三维空间的人类更不可能像《三体》中描述的，能通过翘曲点进入四维空间。
至于在《星际穿越》中的出现的超立方体以及神秘的五维智慧体，其中的超立方体到底是空间还是时间?能够精心计算出土星附近出现虫洞的电影编导，也无法解释这个问题。所以，答案是这一部好莱坞商业大片，所有设定都为了制造英雄。
此外，半个多世纪前，人类就开始用射电望远镜搜寻外星人信号，迄今仍无所获。而且，假设银河系中存在比人类发达的文明，那么我们为什么没有发现他们发射的诸如微型飞船这样的东西?所以，人类的文明很有可能是银河系中的唯一智慧文明。不过，这些不存在的设定，并不影响影视作品和文学作品本身的魅力。
第一财经：说到文艺，据说，您在生活中更愿意别人称您为“诗人”。您不但读诗，而且写诗写小说。像诗歌小说这样的艺术，和物理学差别很大。这样看起来，你的生活似乎总是在跨界。
李淼：我在开设微博的时候，说自己“偶尔谈物理，总是谈诗歌和音乐”。读诗、写诗都是我的一种生活方式。就好像爱因斯坦，他不写诗歌，但小提琴也拉得不错，音乐对他来说也是生活的一部分。人有很多才能可能一直隐藏着，没有得到发展。我从小就喜欢诗，尤其是海子的诗。读中学时，我会写一点旧体诗词，回国以后在网上写打油诗。2008年，我在同行的鼓励下开始写现代诗，最初几年追求唯美，现在不拘泥于形式，反而形成了自己的风格。写诗打开了我隐蔽的天性。
从本质上说，科学和艺术是同一类的东西，它们都始于人类对世界的好奇，以及随之衍生的探索、求解的欲望，两者都是人类区别于其他动物的标志。而且，你没发现吗?两者其实都很有秩序感，虽然一个是在简化现实，一个是把细节复杂化。科学就是把复杂的现象用最简洁的形式，比如数学公式，来解释清楚。而诗歌则是把一个细节，哪怕是生活中最微小的东西，用规律和韵律化的语言表达出来。
年轻的时候，我觉得理论物理和数学最有挑战性。那是理解这个运转的严丝合缝的世界的美丽理论，一切都显得那么简单。而现在，我最深切的感受是，诗歌同样具有逻辑之美。而且跨界写诗一个非常有趣的过程，让人乐此不疲。退休之后我想去巴黎写诗，那里的夏季很凉爽。
第一财经：科学与诗，对大众来说，这两样东西都是平常生活的阳春白雪。有什么方法能让它们尽快普及?
李淼：世界上有四个领域，数学、物理、音乐、诗歌，它们的美最难以为人所欣赏。因为欣赏的入门门槛不低，被普及化的能被欣赏已属不易，没有被普及化的要被大众欣赏更难。而普及时候往往又很容易失真。普及是一个自然而然的过程，需要由人做这些工作，也需要大量的时间。在这各领域之中，科学的美比艺术的美难感受。它真正的美学意义上的价值，只有懂得它的人才可能感受得到，比如，欧几里德的素因子分解、素数的证明。当人类社会更发达，普通民众可以读懂任何科学理论的时候，那就是艺术和科学统一的时代。
第一财经：那您认为，对科学家来说，现在是一个什么样的年代?是不是和爱因斯坦相对诞生之前很相似?我们什么时候才能用几个公式概括这个世界的运行规律?或者像牛顿定律一样，把你们现在研究的暗能量、暗物质以易懂的语言，写进教科书?
李淼：暗物质、暗能量，就像悬在科学顶上的未知乌云久久不散，这和相对论诞生之前的时代有一定的相似。但现在，我们思考的问题，在深度和广度上已经今非昔比，而且都不是地球上的事情了。尽管是面对未知，但人类的步伐已经向前迈进了很多。我也希望在未来，科学家能用一组公式就把宇宙运行规律描述清楚，但很多事情现在还都无法预测。暗能量、暗物质证实之后能否写进教科书，一方面是要看它是否有转换为通俗易懂的语言的可能，另一方面要看它本身的颠覆性和影响力。就比如，牛顿定律是物理学的基础，学习物理必须从这个起点开始。
第一财经：但我觉得您在很多场合已经把最尖端的研究转换为生活的语言了。您的全息暗能量模型是基于量子的研究。而您在媒体上就把量子学比作女子。这个比喻很有趣，很容易让人对量子力学产生了兴趣。
李淼：女子和量子的共同点之一不确定性。按照量子理论，没有任何事情会确定地发生或不发生。女人也一样，你永远无法预言她们下一刻想做什么，就连她们自己也不知道。这和电子很相似。和女人约会，这种情况很常见，说好中午见面，临到中午，她们突然说临时有事，改成晚上了。如果我遇到这种情况，那就脆不见。你放我一次鸽子，我永远放你鸽子。看上去很冷酷，但没有办法，你实在没有精力与不确定性玩游戏。
量子和女人的另一个共同点是跳跃性。对量子来说，两个状态之间没有过渡的中间态。我常常觉得，老婆很难应付的原因也在于此。一句话能让她好几天不高兴，一句话又会让你的处境“转危为安”，而且你还根本不知道是哪一句话。一直到现在，我还经常被家里的女性批评，说我不懂女人。女子和量子共同点颇多。
我常说，世界是量子的，智慧是量子的。现在我也要郑重地说，世界是女人的，智慧是女人的。好好爱她们，但永远不要妄想轻而易举的就能理解她们。
来源： 第一财经
相关阅读：
宇宙只是一个二维表面的全息投影？
2015年04月29日 07:37
来源：凤凰科技
凤凰科技讯 北京时间4月29日消息，据英国每日邮报报道，我们生活在一个巨大的全息图里，我们所看到的周围的一切只是二维表面的一个投影。这是1997年物理学家胡安•马尔达西那(Juan Maldacena)提出的怪异理论，它用方程式证明了这个全息图的存在，后者部分解释了宇宙。现在奥地利的研究人员首次展示了这种奇怪的全息原理其实可以被用于我们宇宙更实际的模型。
我们生活在一个巨大的全息图里，我们所看到的周围的一切只是二维表面的一个投影
全息原理表明，和你的信用卡所使用的安全芯片一样，其实存在一个你无法看到的二维表面。这个表面包含描述三维物体，在这个例子里指得是我们的宇宙，所需要的所有信息。
本质上来说，这一原理认为包含描述3D物体，例如你读这篇文章所使用的设备，数据可能隐藏在这个变平、“真实”版本的宇宙的一个区域里。马尔达西得出这一结论是基于他发现了对宇宙的数学描述需要的维度其实比看起来的更少。
但在此之前，这一原理只在某个所谓的“弯曲的反德西特空间”——也就是具有负曲率的外来空间里被研究过。科学家们在描述三维背景里的引力同时预测两维空间维度里的量子粒子时发现了这些空间。
反德西特空间是负向弯曲的，在这个空间里任何以直线投掷的物体最终将返回。问题就在于它们与我们宇宙里的空间是不同的。我们的宇宙大体上是扁平的，从天文学距离上看，它具有正曲率。维也纳技术大学的科学家们进行的最新研究表明这一全息原理也适用于扁平的时空。
我们的宇宙大体上是扁平的
“胡安•马尔达西那提出了一个这样的观点，也即弯曲的反德西特空间里的引力理论与具有更少维度空间里的量子场理论相互对应，” 维也纳技术大学的丹尼尔•格鲁米勒(Daniel Grumiller)这样说道。
为了测试这一理论，科学家们花费了三年的时间创造了无需外来空间、生活在一个扁平空间的引力方程式。“如果扁平空间的量子引力允许了标准量子理论的全息描述，那么它一定有物理量，后者可以通过这两种理论计算出来，且结果也一定保持一致。” 格鲁米勒说道。
它们表示量子力学的一个重要特性量子纠缠似乎出现在我们宇宙更实际的模型里。当量子粒子相互纠缠时，它们无法被单独描述。它们会形成一个单一的量子物体，即使它们相距甚远。在量子系统里，可以用所谓的“纠缠熵”来测量这种纠缠程度。
研究小组展示了这种纠缠在扁平的量子引力模型里和在低纬度的量子场理论里的值是相同的。“这一计算证实了我们的假设，也即全息原理也可以在扁平空间里实现，” 维也纳技术大学的马克斯•瑞格乐（Max Riegler）这样说道。“这是我们宇宙里这种相关性的有效性的证据。”
“事实上，我们能够在引力理论里谈论量子信息和纠缠熵这一事实本身已经非常令人震惊，在几年前这几乎是无法想象的。” 格鲁米勒补充说道。“现在我们能够将之作为一种工具来测试全息原理的有效性，且这一测试有效，这真是令人不可思议。”（编译/严炎刘星）
介绍：
胡安·马尔达西那(1968年-），阿根廷理论物理学家，专长广义相对论和超弦理论。他现在是普林斯顿高等研究院的教授。[1]
中文名胡安·马尔达西那 外文名Juan Maldacena 出生地阿根廷布宜诺斯艾利斯 出生日期1968年9月10日
职业 理论物理学家 毕业院校古尤国立大学、普林斯顿大学
研究领域
专长广义相对论和超弦理论。
主要成就
他在1997年首先提出了在反德希特空间背景下某些超引力理论和边界上共形场论的对偶关系，即AdS/CFT对应猜想。这一发现是超弦理论的最重要结果之一，也被广泛用于粒子物理和宇宙学唯象研究中。有资料显示，他是普林斯顿高等研究院的教授。
关于上文提到的AdS/CFT对应猜想:
Maldacena最原始的表述应该是：
和
对偶。
因为他注意到N个重叠的D3膜和黑3膜在decoupling limit下正好能给出这个结果。
具体的某些对应有：
•两边理论的对称性都是PSU(2,2|4) 其中包括
, 超共形不变, 超庞加莱不变
•在large N场论里N对应的是弦论里5形式的RR(Ramond-Ramond)荷：
•yang-mills理论的耦合常数g_{YM}和弦耦合常数g_{s}有关系：
•YM的S-duality对应Type IIB的S-duality
•两边的散射振幅相等
•Wilson loop的expectation value可以由计算在AdS中包络这个圈的极小曲面的面积得到
•在plane wave limit下有相应的plane wave string/gauge duality, 这个推论在interpolating region也能实现, 而之前的某些结论只在't Hooft常数远小于1或远大于1才能给出很好的结果。
AdS/CFT现在已经被应用到物理学的各个领域：高能物理, 引力, 凝聚态, 核物理, 数学物理……
比如对QGP的shear viscosity的计算, 以及凝聚态中的holographic superconductor
编辑于 2015-11-17 添加评论 感谢
飞鱼
谭晟宇、知乎用户、Gaoli Chen 等人赞同
看不到公式的新开一个网页复制粘贴公式的地址。
大约20年前，理论物理学家们开始渐渐意识到一件惊天动地的事情：如果有两个世界，一个有5维的时空，而且物体之间有引力，另一个世界只有4维时空，没有引力，那你一定觉得这两个世界绝对是完全不同的。但是他们发现在一种特定的情况下，种种证据却表明这两个世界可以完全一样：
一个 n+1 维AdS空间的量子引力理论和一个定义在这个AdS空间边界上的共形场论对偶。
这就是 AdS/CFT 猜想。
下面是一些解释：
1，对偶性：如果一个物理系统有两种不同但等价的描述方式，那么这两种描述方式是对偶的。AdS/CFT 就是指有这样一个物理系统。它既可以用量子引力理论描述，也可以用量子场论描述，这两种方法表面上看很不一样，但其实完全等价。
2，第一个描述，量子引力，特指基于弦理论的量子引力理论。这个理论中有引力子。
3，第二个描述是共形场论，也就是有共形对称性的量子场论。这个描述中没有引力，也不包括引力子。它有一个对称性，就是共形对称性。它不仅包括了狭义相对论的洛仑兹对称性，而且也包括尺度缩放对称性。也就是说这个系统不管放大多少倍看起来都是一样的。
4，这是一个强/弱对偶。如果一个系统的各部分相互作用很弱，那我们说它是弱耦合的，这样的理论容易理解和计算。如果相互作用很强，那即使组分简单，这个系统的整体性质也极难求解。强/弱对偶指的是，对偶两个理论，如果引力一方耦合强，那场论一方就弱，反之亦然。
5，这是一个猜想，没有被证明，但是已经发现了很多支持它的有力证据，而尽管大家努力寻找，仍然没有发现能证伪它的证据。这个猜想也有很多不同的版本，有的更具体有的更普遍。比如大胆的猜想认为边界上的场论可以没有共形对称性，甚至没有洛仑兹对称性，而仍然有一个量子引力理论与之对应。所有这一系列猜想通称为全息对偶。AdS/CFT是全息对偶的一个子集。
6，这个猜想意义重大。首先，大家不太懂量子引力。但是量子场论则是很多人的老朋友了。所以通过这个对偶性，我们就可以用量子场论去了解量子引力。第二，有些相互作用很强的量子场论非常棘手但是意义重大，而与之对偶的却是弱相互作用的引力理论，相对容易计算。这样可以用引力描述回答量子场论中的重要问题。比如用于研究重离子高能碰撞出的夸克胶子等离子体，或者一些强相互作用的凝聚态体系。
![SiS001! Board - [第一会所 关闭注册]](images/green001/logo.png){kind=logo}
