宇宙是否是全息的？未来的强大望远镜或许能揭开这个奥秘
你是否知道全息宇宙的原理？我们所感知的世界可能并不存在，它可能只是全息图？这句话听起来更像是你凌晨3点的一个想法，而不是一个科学理论，但全息宇宙的存在比你想象的更有可能。一些理论研究表明，宇宙可能存在于一个比我们意识所感知维度更低的维度中，关于所谓“全息原理”的争论在很大程度上仍停留在理论层面。
但发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的新研究表明，科学家们或许能够解决这个宇宙学难题。全息原理最初是由物理学家杰拉德·t·霍夫特(Gerard 't Hooft)和伦纳德·苏斯金德(Leonard Susskind)在上世纪90年代提出，当时他们正试图解决一个关于黑洞的悖论，他们脑子里的问题相对简单：被太空深渊黑洞吞噬的物质会发生什么？
为了理解这个问题，让我们首先想象一下把一个冰块放入一杯柠檬水中：当你把冰块放入杯子中时，杯子里的总体积现在等于柠檬水的体积加上冰块的体积。另一方面，表面积比之前稍微大一些，但并不等于柠檬水和冰块的表面积之和。黑洞以相反的方式工作，对于一个黑洞来说，它里面储存的所有信息都可以用表面积(二维)来表示，而不是用体积(三维)来表示这也是全息图的工作原理，它获取三维信息，并将其存储在二维平面上。
- （博科园-图示）二维表面(德西特几何)，表示加速的宇宙，包含宇宙微波背景和宇宙的大尺度结构。图片：Ana Achúcarro, Sebastián Céspedes, Anne-Christine Davis, and Gonzalo A. Palma
例如在科切拉(Coachella)演出的《全息图帕克》(holotupac)中，三个维度都在图像中表现出来，但仍然只是二维投影。苏斯金德和霍夫特一致认为，即使物体在物理上被黑洞吞噬，它们的所有信息仍然作为全息图印在视界上。现在，让我们用这个想法，把它应用到所有以前存在，现在存在，将来也会存在的东西上。理论家胡安·马丁·马尔达塞纳(Juan Martin Maldacena)在AdS/CFT通信中为这一理论提供了更多的可信度。
这描述了一个没有曲率的理论宇宙，引力以第五维度的形式存在。如果这种宇宙可以是全息的，物理学家认为我们的宇宙也可以是全息的。这个令人费解的想法震撼了物理学世界，因为它雄辩地将相对论和量子力学结合起来，在宇宙尺度和亚原子尺度上封装相互矛盾的物体物理学。全息原理被用来解释宇宙膨胀，宇宙膨胀是早期宇宙的一个关键时期，宇宙以惊人的速度膨胀。
研究人员不太确定为什么宇宙突然膨胀得如此之快，但在某些条件下，物理学家发现，一个低维度的宇宙可以容纳这种快速膨胀。其发现意味着我们的宇宙可能已经开始全息，然后演变成它的三维自我。虽然数学很吸引人，但许多人对全息理论的实用性提出了质疑。在寻找具体证据的过程中，来自荷兰、西班牙、英国和智利的一个国际科学家团队研究了宇宙膨胀期间可能产生的可探测信号，以及如何利用这些信号来评估全息原理的有效性。
- （博科园-图示）威尔金森微波各向异性探测器测量的宇宙微波背景图。图片：NASA
在宇宙膨胀期间，宇宙中充满了量子涨落，这些粒子暂时出现在真空中。膨胀的宇宙具有正确特征，使这些波动成为我们今天所观察到一切事物的“种子”，从宇宙微波背景、星系、恒星、行星到宇宙学家，这些量子涨落导致了宇宙中星系的不规则分布。通过与标量场的相互作用，这些波动产生了可以振荡的独特信号。为了判断宇宙是否是全息的，研究人员研究了这些信号可能以不同的复杂方式振荡。
如果信号阻尼不足，也就是说信号在达到平衡点之前来回移动，那么我们就不能生活在全息宇宙中。这是因为如果我们生活在一个全息宇宙中，我们看到的每一个信号都必须在一个更低维度的世界中有一个对应的信号。一个“欠”阻尼信号不可能有这样一个对应的信号。如果我们看到低阻尼信号，那么我们就可以得出结论，我们不是生活在全息宇宙中！
那么，如何寻找这样的信号呢？在未来几年，西蒙斯天文台将扫描宇宙微波背景，寻找宇宙膨胀的信息。此外，像大型天气望远镜、欧几里德望远镜和SPHEREx这样的观测将着眼于宇宙大尺度结构，绘制出我们周围星系如何分散的3D地图。这些项目不仅会告诉我们宇宙的演化，还会告诉我们，所看到的宇宙是否真的存在。那么宇宙是全息图吗？也许不是，或许很快科学家们就能证明。