全息宇宙假說的驗證
——華裔實驗物理學家周思庭訪談錄

姚人杰/編譯

俯視圖（左圖）顯示了兩只真空容器，里面放置了“全息干涉儀”項目的兩臺干涉儀的分光鏡。分光鏡確保相同的激光信號被送至每臺干涉儀，于是它們的測量值是相同的。周思庭（右圖）與他的團隊花費了許多時間對儀器進行手工調整?！拔覀€人覺得與儀器一道工作更加有樂趣，而后來坐在辦公桌后，與處理后的數據打交道就無趣得多?！敝苷f道。照片由費米實驗室提供

●到底存不存在一種空間的基本單位，由是產生宇宙的基線顆粒值？假如事實如此，那一極限就是宇宙所能存儲的全部可能信息的總量上限。它還有著一種更為怪誕的含義：我們感知到的三維現實也許是種幻覺——是一種空間的投影，類似于實際上是以二維編碼的全息圖。這些想法也許聽上去荒誕不經，可它們實際上是能夠檢驗的。

周思庭（Aaron Chou）是伊利諾伊州巴達維亞的費米國立加速器實驗室的一名物理學家，他擔任了“全息干涉儀（Holographic Interferometer，簡稱Holometer）”研究項目的首席科學家及項目經理。周向《美國科學家》雜志副主編費內拉·桑德斯（Fenella Saunders）解釋了全息干涉儀這種儀器會如何幫助解開這些謎題。

問：全息干涉儀是什么東西？你們試圖尋找到什么？

答：全息干涉儀由兩臺40英尺長的激光干涉儀組成，能以極其精確的精度測量不同物體的相對位置，尤其是這些裝置內的鏡子的相對位置。干涉儀提供了任何儀器中最佳的解析度，因為它們使用的是數以幾十億計的光子，因此你能夠反復進行測量。我們每秒使用大概1 022個光子。我們能分辨出的最小位置變動比原子核的尺寸還要小上大約一千倍。

我們試圖了解，以這種或其他任何一種方法所能進行的測量是否存在任何精度上的極限。有若干源自于引力物理學與量子力學的想法暗示，我們所居住的時空體本身的信息存儲容量是有限的，就好比硬盤或記憶棒的存儲容量有限，時空體內所能裝入的信息總量也有最大值。如果你試圖用一種比極限精度更精確的精度來測量，你將無法辦到，因為空間并沒有更多位數可提供給你。

問：您能形容下這一極限與宇宙的三維本質有何聯系嗎？

答：你往黑洞內丟入的所有物質包含的信息最終都會被存儲在黑洞表面。黑洞物理性質有個古怪的地方，黑洞包含的信息并不與黑洞的體積成正比，而是與表面積成正比。這被稱為全息原理；這兒是在類推至全息圖。全息圖就是在二維表面上存儲一張顯然是三維的圖像。但是，假如你以一種特殊的方式將光散射在二維表面上，被散射的光的圖案會在表面上重建出三維圖像。我們相信，當物體落入黑洞時所發生的情況與這個過程類似，也就是說不知怎么地，落入黑洞的物體的三維信息被轉錄并編碼到黑洞的二維表面上。

周思庭在Holometer旁工作

問：那會如何影響宇宙的信息存儲極限？

答：打個比方，你一開始遇到的情況是這樣的，你壓根沒有任何黑洞，但你有一串記憶棒，你說了聲，哎呀，我背包里的記憶棒存儲容量不夠用，我需要更多存儲容量。我要去買更多記憶棒，把它們全塞進背包，接著我會擁有更多存儲容量。假如你特別特別強壯，像綠巨人浩克一樣強壯，最終會發生什么事？你把所有記憶棒都塞進背包，你的背包內的所有物質的密度變得如此之大，于是你弄出了一個黑洞。你也許會說，好吧，那不算非常好，但也沒關系，我會去再多買點記憶棒。但接著你驚恐地發現，你再也沒法往這個背包形狀的黑洞內塞入更多信息，而黑洞還在不斷擴張，于是你的背包內的信息存儲密度的實際值保持原樣。當我們說時空體本身可能擁有某種最大信息存儲量時，指的便是這種意思。一旦你達到黑洞極限，假如你試圖塞入更多信息，就要占據更多空間。

問：全息干涉儀的測量結果會如何反映出這一極限？

答：有一種預測說，假如空間的位數用完了，在測量兩臺緊靠彼此的裝置時，會給予你相同的錯誤結果。從那個時刻開始，測量結果開始相互關聯，而且壓根就找不到原因。

問：假如你發現了這一極限，那是否意味著三維只是種構想？

答：假如最終證明了果真如此，信息是像在全息圖中一樣存儲在二維表面上，而不是存儲在三維體積中，那么我認為這會是一件十分有趣、令人好奇的事情，也許它會指引我們到其他思想和研究的道路上。我認為它并不會真的影響我們日常的三維生活。畢竟，建構一個人、動物或植物的所有指令事實上都能用一套基于四個不同字母的字母表以一維編碼。大家也可以捫心自問，你是否覺得這點讓你不安？

問：弄清極限是否存在的時間表是怎樣的？

答：我們最近已經讓探測器以最高靈敏度運行，因此我們在開始收集數據。我們期望在一年的時間后獲得有報道價值的實驗結果。無論何時，只要你用比以前試驗過的靈敏度高得多的靈敏度來運行儀器，你肯定會發現各種各樣的問題，于是從那時起，你就進入了漫長的排除故障期，為的是確保你假如見到一些看起來略顯怪異的結果，你果真明白那是什么東西。所以，假如我們在目前的測量精度下見到意料之外的極限，我們有信心能從中推斷出一些可靠的科學結論。

問：你或許會毫無斬獲，你如何應付這種壓力？

答：我在研究生院時最喜歡的一位教授向我們形容過，基礎科學研究好比是出門去大海里來次午夜游泳。也許你會碰巧撞到海水里的漂浮物，但最大的可能還是遇上清澈的海水。但那并不會讓你不愿外出來次午夜游泳。這個過程本身會帶來樂趣與刺激。我個人把自己工作中的每次實驗想成是一張彩票。我在任何一次實驗中真正獲得任何發現的概率小之又小。但是另一方面，并不是徹底沒有希望。我做的這些實驗都有著非常好的理論動機。因此，假如我們確實有所發現，那表示人生真的不錯。