“我們生活在一幅全息圖中?！蔽锢韺W(xué)家經(jīng)常這么說，但是這其中的意義究竟是什么？莫非有另外一個“平面世界的我”生活在房間的墻上？莫非我們只是超越人類理解能力的神秘五維生物的投影？假如頭腦中的一切都可以用“邊界”來解釋，那么我們究竟生活在幾個維度上？

假如這些問題讓你夜不能寐，那么請你往下看。

我們的宇宙是一幅全息圖

這一切要從“大統(tǒng)一”理論說起。

統(tǒng)一性對于我們理解大自然的法則是非常有用的：蘋果墜落與行星公轉(zhuǎn)遵循的法則是相同的。物質(zhì)的氣、液、固三態(tài)可以用分子的不同排列方式來解釋。分子的多樣性可以理解為原子組合方式的多樣性。這些具有統(tǒng)一性的原理在很久以前就已經(jīng)被人們發(fā)現(xiàn)。

而當今物理學(xué)家尋求的，是把各種不同的作用力統(tǒng)一起來，找到它們一致的起源，比如電力和磁力是電磁力的兩個方面，而電磁力，或它的量子力學(xué)版本，可以被統(tǒng)一在弱互作用力之下。

但是當前還沒有人能夠把所有已知的作用力——電磁力、強互作用力、弱互作用力、引力——成功地統(tǒng)一起來。

弦理論剛開始是作為一種對強互作用力的解釋出現(xiàn)的，但是不久后，作為夸克子和膠子理論的“量子色動力學(xué)”在這方面表現(xiàn)得似乎更好。當物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)弦理論有對所有已知作用力——包括引力——進行解釋的潛力后，它開始成為“萬物理論”的候選者。

不過事實證明這非常困難，尤其是用弦理論來倒推標準模型作用力，于是近年來，對統(tǒng)一的追求逐漸被對二元性的追求取代，人們逐漸傾向于闡明不同類型的弦理論實際上是同一個已知理論的不同方面。

二元性可以理解為對兩個不同理論的關(guān)聯(lián)。我們可以把二元性當成某種特殊的統(tǒng)一。通常意義上的統(tǒng)一，是指我們把兩個理論合并成一個更大的理論，并以一定的限度將之前兩個理論的內(nèi)容包括進來。

假如用二元性來關(guān)聯(lián)兩個理論，那我們可以發(fā)現(xiàn)這兩個理論其實是相同的，只是表現(xiàn)方式不同。它有什么樣的表現(xiàn)方式，取決于我們以什么樣的方式看待這個理論。

在過去幾十年間，高能物理中最有趣的發(fā)展是在不同的時空維度理論間尋找二元性。一種是研究更高維度空間（常被稱作“體”）的引力理論。另一種是研究時空“體”邊界（也就是“膜”）的理論。這種關(guān)聯(lián)性經(jīng)常被理解為與規(guī)范引力理論有一致性，同時也達到了弦理論的二元性極限。

請注意，嚴格地說這種一致是難以被證明的，但是一些已被深究且少有爭議的例子表明它們在一定程度上可以經(jīng)受得住檢驗。

這樣的二元性被稱為“全息”，因為它可以告訴我們，在特定范圍時空“體”內(nèi)發(fā)生的一切都被編碼在該空間的邊界上。由于一定體積表面所擁有的信息與體積內(nèi)部相比要少，因此體積之內(nèi)所發(fā)生的事情肯定也比我們估計的要少。

就像被裝在同一個盒子里的許多粒子，它們各自獨立，但是實際上互相之間必然有關(guān)聯(lián)。就像我們在觀察房間里許多奔跑跳躍的孩子時突然注意到，每當這些孩子中有一個跳起時，由于某種神秘而未知的原因，另外十個孩子也會在同一精確的時刻跳起。

假如我們在不同的單元的體積內(nèi)部及表面嵌入信息，那么似乎我們存儲在體積內(nèi)的信息要比表面多。但是全息理論告訴我們事實并非如此，體積內(nèi)部的構(gòu)造并不是完全獨立的

二元性和全息

二元性之所以有趣是因為理論物理學(xué)在很大程度上是一種近似的技巧，而它能提供新的方法。

比如每張“費曼圖”都描繪了一種粒子相互作用的過程。圖中環(huán)路越多，這張圖的效用就越低，因此物理學(xué)家先把那些效用高的加在一起，然后再加上較小的，直至它們達到預(yù)想的精度。

這種方法稱為“攝動理論”，只在效用變得越來越小，以及有更多的作用在發(fā)生的情況下才行得通。

如果是這樣，那這個理論就是“弱耦合”的，通過把結(jié)果相加得出的結(jié)論是能夠成立的。如果不是，那么這個理論就是“強耦合”的，我們無法簡單地將結(jié)果相加，來得出想要的結(jié)論。一個強耦合粒子物理理論標準模型是無效的。

強互作用力有一種古怪的特性，被稱為“漸進自由”，意為在高能狀態(tài)下，它會變?nèi)?，但在低能狀態(tài)下，它會變強，所以我們對低能核物質(zhì)了解非常少。

比如“夸克膠子漿”的行為，以及單個夸克子為何總是不能自由飛行，總是“受限”于更大的復(fù)合狀態(tài)。另一個有趣的例子是所謂的“奇異”金屬，包括高溫超導(dǎo)體等物理學(xué)家夢寐以求的東西。

規(guī)范引力二元性對于了解這些體系有幫助，因為當一個理論具有強耦合性且難以論述時，那么它的二元理論就會是弱耦合且較容易論述的，因此二元性本質(zhì)上是為那些難以計算的理論提供了另一種簡便的轉(zhuǎn)換方法。

更高的維度

由于“邊界”理論和“體”理論的二元性關(guān)聯(lián)，它們可以用于描述同一個物理現(xiàn)象，因此在基本層面上是沒道理的——它們是描述一件事的兩種方法，只不過有時候其中一種方法比較容易，有時候另一種比較容易而已。

只有當我們關(guān)注一個特定體系時，問題才會變得有意義，比如夸克膠子漿或黑洞，以及粒子所在的維數(shù)。這種對粒子的描述使問題變得有意義，是因為要識別粒子通常不是那么容易。

夸克膠子漿理論屬于邊界理論是因為它可以被描述成一個強耦合理論，因此如果你把它置于實驗之中，那你自己也會和它一同身處其中，身處于這個邊界上。我們所體驗到的“維度”概念與粒子運動的自由度有關(guān)。更加嚴密地說，可以定義為測得的“頻譜維度”，通俗地說，是粒子會丟失的方向數(shù)量。體系的強耦合性意味著這個體系無法對單一粒子的自由飛行進行準確的識別。

因此，當你在實驗中，在三個空間維度中運動的同時，夸克膠子漿的單一粒子運動只能用更高維度的理論來進行解釋。在這個意義上，實驗的一部分實際上處在更高的維度上。

相對重離子對撞機（RHIC）是能夠用相對較重的離子制造出夸克膠子漿的對撞機之一

如果我們拿天體物理學(xué)上的黑洞來做例子，情況則是相反的。我們知道粒子在黑洞附近是弱耦合的，且處于三個空間維度上。如果要在這個問題上用二元性來解釋，只有把我們的宇宙當成“體”，這樣就可以在較低的維度上形成我們的投影，與此同時，黑洞就成了“邊界”。

但是所謂的“反德希特”時空“體”擁有與我們這個宇宙相反的常量，所以無法確知在我們的宇宙中是否存在一種可以用來解釋黑洞現(xiàn)象的低維體系。

許多學(xué)者都在推進規(guī)范引力二元性研究，試圖將擁有正宇宙常量的空間包括在內(nèi)，亦或?qū)⑵渑懦５堑侥壳盀橹惯@種努力是否有效仍然未知。所以現(xiàn)在我們?nèi)匀徊恢涝诘途S時空中是否存在我們的投影。

二元性和全息的實際意義

隨著技術(shù)的發(fā)展對理論的推動，規(guī)范引力二元性的實際意義大致體現(xiàn)在三個方面。它們是夸克膠子漿、奇異金屬和黑洞蒸發(fā)。就前兩個而言，我們的宇宙處于邊界，而就后一個而言，我們位于體宇宙內(nèi)。

對黑洞蒸發(fā)的研究，能夠以連貫的數(shù)學(xué)方式，對信息逃離黑洞的方式或奇點附近正在發(fā)生的事情加以檢驗。在這個領(lǐng)域，當前的疑問多于答案。二元性在夸克膠子漿上的應(yīng)用帶來了很多令人興奮的成果，但是最近又產(chǎn)生了一些問題。

這些電漿似乎沒有之前以為的那樣具有強烈的耦合性，因此二元法可能沒有期望的那樣有效。而在奇異金屬的應(yīng)用方面，無論是分析還是數(shù)字模型的發(fā)展都取得了比較快的進展。

多種觀測結(jié)果已被高質(zhì)量地重現(xiàn)，但是到目前為止還不清楚哪種體系最適合。模型仍然太大，留下了太多的預(yù)測空間。在這個領(lǐng)域，答案多于疑問。

全息理論是一個不可思議的領(lǐng)域，也是個數(shù)學(xué)領(lǐng)域。大量的堅實理由和一致性表明，我們的宇宙可能是一幅全息圖，但是通過我們的三維現(xiàn)實究竟能夠看到什么？我們的旅程和研究才剛剛開始。