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宇宙全息论

文章来源:[SouVR.com]网络收集整理 作者:Frank/Tracy 发布时间:2010年06月02日 点击数: 字号:
。   所谓的反德西特时空就是一类全息原理能成立的具体例子。原始的德西特时空是荷兰天文学家威廉·德西特于1917年根据爱因斯坦方程式导出的一个解,其中包括了被称为宇宙常量的斥力。德西特时空是空旷的,以一定的加速度膨胀并且是高度对称的。1997年,宇宙学家在研究遥远的超新星爆发时得出结论:我们的宇宙正在加速膨胀,未来它有可能变得越来越像一个德西特时空。如果我们将爱因斯坦方程式中的斥力换成引力,那么德西特解将变成一个反德西特时空,它和德西特时空具有相同的对称性。对于全息概念来说,反德西特时空的重要性就在于它拥有一个位于“无限”处的边界,这一点和我们的日常时空非常相似。   利用反德西特时空,理论家设计出了一个全息原理起作用的具体例子:一个在反德西特时空内运作的宇宙可以用超弦理论完全描述,这套描述和在该时空边界上起作用的量子场论完全等效。这样,上述反德西特时空内部超弦理论的全部奥秘就都被画在了该宇宙的边界上。1997年,Juan Maldacena(那时他还在哈佛大学)首先推测,在5维反德西特时空上存在这种关系。此后,美国新泽西州普林斯顿大学高级研究院的Edward Witten及普林斯顿大学的Steven S. Gubser、Igor R. Klebanov和Alexander M. Polyakov在多种情况下证实了该推测。现在我们已经知道在多种不同维数的时空上都存在着这样的全息对应关系。   这个结论意味着,两个表面上看来非常不同的理论(它们甚至是各自生效在不同维数的时空里)是完全等效的。生存在这些宇宙中的生物将无法确定它们是栖息于一个由弦论描述的5维时空还是一个由量子场论描述的4维时空中。(当然,这些生物的大脑结构也许会给它们一种“常识”,让它们以为自己是生存于某一种宇宙中。就像我们的大脑结构让我们有一种内在的感觉,我们的宇宙具有3维空间结构;参见下页图示)全息等价使得一个在某一时空中难以计算的问题可以用另一种方式解决。比如,4维边界时空上夸克和胶子特性的计算,就可以转化为在高度对称的5维反德西特时空上更简易的计算。这种对应关系还有其他的表现方式。Witten就曾证明,反德西特时空上的黑洞等价于其边界时空上的热辐射体。黑洞这个神秘概念的熵就等于该辐射体的熵,显然后者要容易理解得多。   不断膨胀的宇宙   度对称且空旷的5维反德西特时空和我们这个充斥着物质和辐射且不断受剧烈事件扰动的4维宇宙似乎有很大不同。即使把我们的宇宙近似为一个物质和辐射体均匀分布的系统,我们得到的也不是一个反德西特宇宙,我们得到的将是一个“弗里德曼-罗伯逊-沃克”宇宙。今天绝大部分的天文学家都认为我们的宇宙是一个无限的、无边界的并将永远膨胀的“弗里德曼-罗伯逊-沃克”宇宙。   这样的一个宇宙还遵守全息原理或具有全息界吗?Susskind基于坍塌至黑洞的推断在这里毫无作用。实际上,由黑洞所导出的全息界必然在我们这个单调膨胀的宇宙中失效。一块均匀分布着物质和辐射的区域的熵确实将和它的体积成正比。这样的话,一块足够大的区域(所包含的熵)就会突破全息界。   Raphael Bousso于1999年(当时在斯坦福大学)提出了一个改进的全息界,后来发现这个界在上面所述的那些原全息界遇到问题的地方还能适用。Bousso这个全息界的构成起始于任意合适的2维界面;它可以像一个球面一样是封闭的,也可以像一张纸那样是开放的。现在让我们来想象一束短暂的光线同时从这个界面的一边垂直射入。这里唯一的要求就是这些虚拟的光线都是从同一点发射出来的。例如说,从一个球面的内部透射出来的光线就符合这一要求。现在让我们来看这些光线所经过的物质和辐射体的熵。Bousso推测说这个熵值不能超过由初始界面所代表的熵——表面积的1/4(以普朗克面积为单位)。这种计算熵的方法和原来那种全息界的计算方法有所不同。Bousso界并非只考虑某一时刻某一区域的熵值,它计算的是不同时间不同位置的熵值之和:那些被从表面来的光线所“照亮”的熵。   Bousso界在继承其他熵界的基础上又避免了它们的局限性。只要所涉及的孤立系统变化不是很快,引力场不是很强,无论是通用熵界还是全息界的't Hooft-Susskind形式都可以从Bousso界中推导得出。如果这些条件都不满足——例如涉及的物质已经落入了黑洞之中,那么这些界就将失效,但Bousso界却能继续适用。Bousso还证明了,他的这一方法能用于定位建立世界全息图形的2维界面。 革命性的前夜   研究人员已经提出了各种各样的熵界。对于全息这一课题,存在那么多的流派,这证明它还没有上升到物理定律的高度。虽然全息的思想还没有完全被我们所理解,但它看起来确确实实是对的。随之而来的是,人们开始认识到,盛行了50年的那个基本信仰,即场论是物理学的最终语言的看法,必须抛弃了。场,比如说电磁场,不同点之间是连续变化的,因而它们描述的自由度是无限的。超弦理论也支持无限多的自由度。全息论则将一个封闭界面里的自由度限制到一个有限的数目上;场论因为其自由度的无限所以不可能是最终理论。此外,即使自由度无限的问题得到了解决,信息量和表面界之间那种神秘的对应关系也应该得到解决。   全息论也许为另一个更好的理论指明了方向。基本理论应该是什么样子的?全息论发展过程中的一系列论证推理让某些科学家(其中最著名的是加拿大沃特卢理论物理Perimeter学院的Lee Smolin)提出,最终理论考虑的不是场,甚至不是时空,而应该是物理过程之间的信息交换。如果真是这样的话,把信息看成世界的组成部分的观点就体现了它的价值。
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