《科學(xué)》10月封面文章：世界是一張全息圖

——————————————————————————————————————

   科學(xué)人 網(wǎng)站 2003年11月20日

（編輯：本文引自http://www. 科學(xué)人 網(wǎng)站 。 文章中的1011、1024等數(shù)字，估計(jì)是10的11次方和24次方，故做了修訂）

　　如果你問(wèn)別人物理世界是由什么構(gòu)成的，他很可能告訴你是“物質(zhì)和能量”。但只要我們學(xué)過(guò)一點(diǎn)工程、生物和物理的話(huà)，就知道信息同樣是一個(gè)不可或缺的組成部分。只給汽車(chē)廠(chǎng)的機(jī)器人金屬和塑料，它們不可能做出任何有用的東西，只有給它們下達(dá)如何焊接的指令它們才能組裝出汽車(chē)。我們身體細(xì)胞中的核糖體擁有氨基酸組建模塊和ATP合成為ADP過(guò)程中釋放的能量，但如果沒(méi)有細(xì)胞核中DNA所攜帶的信息，同樣無(wú)法合成任何蛋白質(zhì)。類(lèi)似地，一個(gè)世紀(jì)以來(lái)物理學(xué)的進(jìn)展告訴我們，信息在物理系統(tǒng)和物理過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。實(shí)際上，現(xiàn)在就有一個(gè)學(xué)派認(rèn)為物理世界是由信息構(gòu)成的，它的創(chuàng)始人是美國(guó)普林斯頓大學(xué)的John A.Wheeler。該理論認(rèn)為信息才是最重要的，物質(zhì)和能量不過(guò)是附屬物而已。

　　這種觀(guān)點(diǎn)引發(fā)了對(duì)許多古老問(wèn)題的重新審視。硬盤(pán)之類(lèi)存儲(chǔ)設(shè)備的信息存儲(chǔ)容量獲得了飛速發(fā)展。這樣的進(jìn)展什么時(shí)候會(huì)終止？一個(gè)重量小于1克，體積小于1立方厘米(這大約是計(jì)算機(jī)芯片的尺寸)的設(shè)備的終極信息存儲(chǔ)容量是多少？描述整個(gè)宇宙需要多少信息？這種描述能被裝入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中嗎？我們真的能像William Blake說(shuō)的那樣“透過(guò)一粒沙看世界”嗎？抑或這種說(shuō)法只不過(guò)是詩(shī)人的狂想？

　　值得注意的是，近期理論物理學(xué)的進(jìn)展解答了上面的部分問(wèn)題，而這些回答很有可能是找到客觀(guān)的最終理論的重要線(xiàn)索。通過(guò)研究黑洞的那些神秘特性，物理學(xué)家已經(jīng)推導(dǎo)出了某一部分空間或一定量的物質(zhì)和能量所能包含信息量的絕對(duì)限度。相關(guān)的研究結(jié)果表明，我們的宇宙也許并不是一個(gè)我們所認(rèn)為的那種三維空間，它很有可能是某種“寫(xiě)”在二維表面上的全息圖形。我們對(duì)日常世界的三維認(rèn)知要么是一種玄奧的幻覺(jué)，要么就是觀(guān)照現(xiàn)實(shí)的兩種方式之一而已。一粒沙也許不能包含整個(gè)宇宙，但是一個(gè)平板顯示器卻有可能做到。

兩種熵

　　正統(tǒng)信息論的創(chuàng)始人是美國(guó)應(yīng)用數(shù)學(xué)家香農(nóng)。他于1948年發(fā)表了一系列開(kāi)創(chuàng)性的論文，所引入的熵這一概念如今被廣泛用于信息的度量。長(zhǎng)久以來(lái)，熵就是熱力學(xué)(研究熱的一個(gè)物理學(xué)分支)的中心概念。熱力學(xué)中的熵通常被用于表征一個(gè)物理系統(tǒng)的無(wú)序程度。1877年，奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼提出了一種更為精確的描述：一團(tuán)物質(zhì)在保持宏觀(guān)特性不變的情況下，其中所包含的粒子所有可能具有的不同微觀(guān)狀態(tài)數(shù)就是熵。例如，對(duì)于包圍你的室內(nèi)空氣而言，就可以計(jì)算單個(gè)空氣分子所有可能的分布方式及其所有可能的運(yùn)動(dòng)方式。

　　當(dāng)香農(nóng)設(shè)法量化一條消息中的信息時(shí)，他自然而然地得出了一條和玻爾茲曼一樣的公式。一條消息的香農(nóng)熵就是編碼這條消息所需二進(jìn)制位即比特的個(gè)數(shù)。香農(nóng)熵并不能告訴我們一條消息的價(jià)值，因?yàn)楹笳咧饕Q于上下文。然而作為對(duì)信息量的一種客觀(guān)度量，香農(nóng)熵還是在科學(xué)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，任一現(xiàn)代通信設(shè)施——蜂窩電話(huà)、調(diào)制解調(diào)器、CD播放器等等——的設(shè)計(jì)都離不開(kāi)香農(nóng)熵。

　　從概念上來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)熵和香農(nóng)熵是等價(jià)的：玻爾茲曼熵所代表的不同組成方式的數(shù)目反映了為實(shí)現(xiàn)某種特定組成方式所必須知道的香農(nóng)信息量。但這兩種熵還是存在著某些細(xì)微的差別。首先，一名化學(xué)家或制冷工程師所使用的熱力學(xué)熵的表示單位是能量除以溫度，而通信工程師所使用的香農(nóng)熵則表示為比特?cái)?shù)，后者在本質(zhì)上是無(wú)單位的。這一差別完全屬于習(xí)慣問(wèn)題。

　　即使采用同樣的表示單位，兩種熵值的量級(jí)還存在著巨大的差異。例如，帶有1G數(shù)據(jù)的硅片的香農(nóng)熵約為1010個(gè)（估計(jì)是10¹⁰）比特(1個(gè)字節(jié)等于8個(gè)比特)，這比該芯片的熱力學(xué)熵可小多了，后者在室溫下的取值約為10²³比特。這種差異來(lái)源于兩種熵在計(jì)算時(shí)所考慮的不同自由度。自由度指的是某一可變化的量，例如表示一個(gè)粒子位置或速度分量的座標(biāo)。上述芯片的香農(nóng)熵關(guān)心的只是蝕刻在硅晶上所有晶體管的狀態(tài)。晶體管到底是開(kāi)還是關(guān)；它要么為0，要么為1，是單一的二進(jìn)制自由度。熱力學(xué)熵則不同，它取決于每一個(gè)晶體管所包含的數(shù)十億計(jì)的原子(以及圍繞它們的電子)的狀態(tài)。隨著小型化工藝的發(fā)展，不久的將來(lái)我們就能用一個(gè)原子來(lái)存儲(chǔ)一比特的信息，到那時(shí)，微芯片的香農(nóng)熵將在量級(jí)上逼近其材料的熱力學(xué)熵。當(dāng)用同樣的自由度計(jì)算這兩種熵時(shí)，它們將是完全相同的。

　　那么自由度是否存在極限？原子由原子核和電子組成，原子核又由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子又由夸克組成。今天有許多物理學(xué)家認(rèn)為電子和夸克不過(guò)是超弦的激發(fā)態(tài)而已，他們認(rèn)為超弦才是最基本的實(shí)體。然而一個(gè)世紀(jì)以來(lái)物理學(xué)的興衰變遷告訴我們不能這樣武斷。宇宙的結(jié)構(gòu)層次有可能比今天的物理學(xué)所夢(mèng)想的還要多得多。

　　不知道一團(tuán)物質(zhì)的終極組成部分或其最深層次的結(jié)構(gòu)，我們就無(wú)法計(jì)算其終極信息容量，同樣也無(wú)法計(jì)算其熱力學(xué)熵。我把這種最深的結(jié)構(gòu)層次稱(chēng)為第X層。(這種不確定的描述在實(shí)際的熱力學(xué)分析中毫無(wú)問(wèn)題，例如當(dāng)我們分析一個(gè)汽車(chē)引擎，原子中的夸克就可以被忽略掉，因?yàn)樵谝孢@樣一種相對(duì)溫和的環(huán)境下，它們是不會(huì)改變狀態(tài)的。)按照微型化技術(shù)目前這樣快的發(fā)展速度，我們可以設(shè)想將來(lái)某日夸克能被用來(lái)存儲(chǔ)信息，也許是一個(gè)夸克一比特。到那時(shí)一立方厘米能存儲(chǔ)多少信息？假如我們能進(jìn)一步利用超弦或者更深層次的結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)信息呢？令人吃驚的是，近30年來(lái)引力物理學(xué)領(lǐng)域的成果對(duì)這些看似深?yuàn)W的問(wèn)題提供了一些明確的答案。

黑洞熱力學(xué)

　　這些成果的一個(gè)中心角色就是黑洞。黑洞是廣義相對(duì)論(愛(ài)因斯坦1915年提出的引力幾何理論)的產(chǎn)物。根據(jù)這一理論，引力來(lái)源于時(shí)空的扭曲，它使得物體發(fā)生移 動(dòng)，就像有一個(gè)力在推動(dòng)一樣。與之可逆的是，物質(zhì)和能量的存在導(dǎo)致了時(shí)空的扭曲。根據(jù)愛(ài)因斯坦的方程式，一團(tuán)足夠致密的物質(zhì)或能量能將時(shí)空彎曲到撕裂的極端程度，這時(shí)黑洞就形成了。至少在經(jīng)典(非量子的)物理學(xué)范疇內(nèi)，相對(duì)論決定了任何進(jìn)入黑洞的物質(zhì)都無(wú)法再?gòu)闹刑用?。這個(gè)有去無(wú)回的點(diǎn)被稱(chēng)為黑洞的視界。在最簡(jiǎn)單的情況下，視界是一個(gè)球面，黑洞越大，這個(gè)球體的表面積就越大。

　　要探究黑洞內(nèi)部是不可能的。沒(méi)有任何具體的信息能穿過(guò)視界逃離到外部世界中。然而，在進(jìn)入黑洞并永久消失之前，一團(tuán)物質(zhì)還是能留下一些線(xiàn)索的。它的能量(按照愛(ài)因斯坦方程E=mc2，可以將任意質(zhì)量換算成能量)將不變地反映為黑洞質(zhì)量的增量。如果在被黑洞捕獲前它正在圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，那么它的角動(dòng)量將被加到黑洞的角動(dòng)量之中。黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量都可以通過(guò)黑洞對(duì)周?chē)鷷r(shí)空的作用而獲得測(cè)量。這樣，黑洞也遵守能量稱(chēng)有動(dòng)量守恒準(zhǔn)則。但另一個(gè)基本定律，即熱力學(xué)第二定律，看起來(lái)是被破壞了。

　　熱力學(xué)第二定律是對(duì)慣常觀(guān)測(cè)現(xiàn)象的一個(gè)總結(jié)：自然界中絕大部分過(guò)程都是不可逆的。茶杯從桌上摔碎后，沒(méi)有人看到碎片自己按原路蹦回又組成一只完整的杯子。熱力學(xué)第二定律禁止這些逆過(guò)程的發(fā)生。它指出，孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不可能減少；熵量多保持不變，大部分情況下，熵值是增加的。這條定律是物理化學(xué)和工程學(xué)的核心；它被認(rèn)為是對(duì)物理學(xué)之外其他領(lǐng)域產(chǎn)生影響最多的一條定律。

　　就像Wheeler首先指出的那樣，當(dāng)物質(zhì)消失于黑洞時(shí)，它的熵似乎永久消失了，熱力學(xué)第二定律這時(shí)看起來(lái)也失效了。解決這一謎題的線(xiàn)索首先出現(xiàn)于1970年。Demetrious Christodoulou(當(dāng)時(shí)他在普林斯頓大學(xué)做Wheeler的研究生)和英國(guó)劍橋大學(xué)的Stephen W.Hawking(霍金)各自獨(dú)立證明了在多種不同的過(guò)程中(例如黑洞的合并等)，最終的視界總表面積不會(huì)減少。通過(guò)將這一性質(zhì)和熵值趨向于增加的特性相類(lèi)比，我于1972年提出了黑洞熵值正比于其視界表面積的理論。根據(jù)我的推測(cè)，物質(zhì)落入黑洞后，黑洞熵值的增加總能補(bǔ)償或者過(guò)補(bǔ)償該物質(zhì)所“喪失”的熵。更廣泛地來(lái)說(shuō)，黑洞的熵值及其外面的普通熵值之和永遠(yuǎn)不會(huì)變小。這就是廣義第二定律(簡(jiǎn)稱(chēng)GSL)。

　　GSL已經(jīng)通過(guò)了大量嚴(yán)格(如果僅從理論上來(lái)看的話(huà))的驗(yàn)證。當(dāng)一顆恒星坍塌為一個(gè)黑洞時(shí)，黑洞的熵值將大大超過(guò)該恒星的熵值。1974年霍金證明了黑洞必然會(huì)通過(guò)一個(gè)量子過(guò)程釋放我們現(xiàn)今稱(chēng)之為霍金輻射的熱輻射。對(duì)于這種現(xiàn)象(黑洞的質(zhì)量及其視界表面積都減少了)，Christodoulou-Hawking定理就失效了，然而GSL卻能適用：黑洞散發(fā)出去的熵值超過(guò)了其本身熵值的減少，所以GSL仍然成立。1986年，美國(guó)雪城大學(xué)的Rafael D.Sorkin研究了視界在阻止黑洞內(nèi)部信息影響外部事件時(shí)起到的作用，他因此得出結(jié)論：對(duì)于黑洞發(fā)生的任何可能的過(guò)程，GSL(或與之非常相似的理論)必然是成立的。他的深入研究明確指出，無(wú)論X取值多少，GSL中的熵對(duì)層次X都是成立的。

　　霍金對(duì)輻射過(guò)程的處理使他得到了黑洞熵值和視界表面積之間的比例關(guān)系：黑洞的熵值恰恰是按照普朗克表面積丈量的視界表面積的1/4。(普朗克長(zhǎng)度，約為10^-33厘米，是萬(wàn)有引力和量子理論中的基本長(zhǎng)度單位。普朗克表面積即它的平方。)即使是從熱力學(xué)熵的角度來(lái)看，這個(gè)值也是非常巨大的。一個(gè)直徑為1厘米的黑洞的熵值約為10⁶⁶比特，這大致和一個(gè)邊長(zhǎng)為100億公里的立方水柱所含的熱力學(xué)熵相當(dāng)。

世界是一張全息圖

　　GSL讓我們有可能為任何孤立的物理系統(tǒng)設(shè)定信息容量的限度。這些限度對(duì)于直到X層的任何結(jié)構(gòu)層次都將成立。1980年我開(kāi)始研究第一個(gè)這樣的界。它被稱(chēng)為宇宙熵界，它確定了特定尺寸特定質(zhì)量的物質(zhì)所能包含信息量的界限。美國(guó)斯坦福大學(xué)的Leonard Susskind于1995年提出了一個(gè)與之相關(guān)的稱(chēng)為全息界的概念。它確定了占據(jù)一定空間體積的物質(zhì)或能量所能包含信息量的界限。

　　在研究全息界的過(guò)程中，Suss-kind考察的是一團(tuán)近乎球體的孤立物質(zhì)，它并非黑洞，而是被緊緊密地裝入到一個(gè)表面積為A的表面中。如果該物質(zhì)能坍塌為黑洞，則最終形成的黑洞的視界表面積將小于A(yíng)。這樣黑洞熵將小于A(yíng)/4。按照GSL，該系統(tǒng)的熵不能減少，因而物質(zhì)的初始熵不能大于A(yíng)/4。這樣我們就可以得出結(jié)論：邊界表面積為A的孤立物理系統(tǒng)的熵值必然小于A(yíng)/4。然而如果該物質(zhì)無(wú)法自行坍塌又如何呢？我在2000年證明了，一個(gè)小的黑洞可以將一個(gè)和Susskind論證過(guò)程中那個(gè)沒(méi)什么大區(qū)別的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诙础Ｒ蚨@個(gè)界是獨(dú)立于系統(tǒng)的組成或者層次X的特性的。它僅僅依賴(lài)于GSL。

　　現(xiàn)在我們可以回答某些關(guān)于信息存儲(chǔ)量最終限度的深?yuàn)W問(wèn)題了。一個(gè)直徑為1厘米的裝置理論上可以存儲(chǔ)高達(dá)10⁶⁶比特的信息量，這可是一個(gè)令人難以置信的數(shù)量?？梢?jiàn)的宇宙最少包含了10¹⁰⁰比特的熵，理論上可將之裝入到一個(gè)直徑為十分之一光年的球體之中。要估計(jì)宇宙的熵很困難，然而對(duì)于特別大的數(shù)值，例如一個(gè)幾乎與宇宙本身一樣大小的球體，則是完全可行的。

　　但是全息界的另一方面卻真正讓人大吃一驚。就是說(shuō)，最大可能的熵值取決于邊界面積而不是體積。讓我們?cè)O(shè)想將計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片堆成一個(gè)大堆。晶體管的數(shù)目(即總的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量)隨著堆體積的增加而增大。所有芯片的熱力學(xué)熵之和也同樣增大。然而值得注意的是，這堆芯片所占據(jù)空間的理論終極信息容量?jī)H僅隨表面積的增加而增加。因?yàn)轶w積的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于表面積的增長(zhǎng)，到某一程度，所有芯片的熵值之和將超過(guò)全息界?？雌饋?lái)無(wú)論是GSL還是我們通常意義上的熵和信息容量都失效了。實(shí)際的情況下，真正失效的是堆積過(guò)程本身：在上述情況出現(xiàn)之前，它就將因?yàn)楸旧淼囊Χ⑿纬梢粋€(gè)黑洞。在此之后每增加一個(gè)芯片都將增大黑洞的質(zhì)量和表面積，但這都將遵循GSL。

　　如果全息原理(由諾貝爾獎(jiǎng)得主、荷蘭烏得勒支大學(xué)的Gerarad’t Hooft于1993年提出，并得到了Susskind的進(jìn)一步闡述)是正確的話(huà)，信息容量取決于表面積這一令人吃驚的結(jié)論就將得到自然的解釋。在日常世界里，全息圖形是一種特殊的膠片，當(dāng)用合適的方法將它曝光時(shí)，它就將產(chǎn)生一個(gè)真正3維的影像。描述3維圖景的所有信息都被編碼到2維膠片上的明暗相間的圖樣上。用這個(gè)膠片隨時(shí)都可以復(fù)現(xiàn)該3維圖景。全息原理指出，這一視覺(jué)魔術(shù)的原理可以類(lèi)推到對(duì)任何一個(gè)占據(jù)3維區(qū)域的系統(tǒng)的所有物理學(xué)描述之中，另一個(gè)在該區(qū)域的2維邊界上定義的物理學(xué)理論能完全描述該3維區(qū)域的物理學(xué)。如果一個(gè)3維系統(tǒng)能被運(yùn)作于其2維邊界上的物理理論所完全描述，我們就有理由推測(cè)該系統(tǒng)的信息容量不可能超越其邊界上的描述。

“畫(huà)”在邊界上的宇宙

　　我們能把全息原理推廣到宇宙這樣大的范圍嗎？真正的宇宙是一個(gè)4維系統(tǒng)：它有體積并隨著時(shí)間軸延伸。如果我們這個(gè)宇宙的物理學(xué)具有全息性，那么就會(huì)存在另外一套運(yùn)作在某個(gè)時(shí)空的三維邊界上的物理學(xué)定律，它們將和我們現(xiàn)在所知的4維物理學(xué)完全等效。到目前為止我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何這樣的3維定律。事實(shí)上，我們拿哪個(gè)界面做為宇宙的邊界呢？要實(shí)現(xiàn)這些想法我們需要首先邁出的一步就是研究比真實(shí)宇宙更簡(jiǎn)單的那些模型。

　　所謂的反德西特時(shí)空就是一類(lèi)全息原理能成立的具體例子。原始的德西特時(shí)空是荷蘭天文學(xué)家威廉·德西特于1917年根據(jù)愛(ài)因斯坦方程式導(dǎo)出的一個(gè)解，其中包括了被稱(chēng)為宇宙常量的斥力。德西特時(shí)空是空曠的，以一定的加速度膨脹并且是高度對(duì)稱(chēng)的。1997年，宇宙學(xué)家在研究遙遠(yuǎn)的超新星爆發(fā)時(shí)得出結(jié)論：我們的宇宙正在加速膨脹，未來(lái)它有可能變得越來(lái)越像一個(gè)德西特時(shí)空。如果我們將愛(ài)因斯坦方程式中的斥力換成引力，那么德西特解將變成一個(gè)反德西特時(shí)空，它和德西特時(shí)空具有相同的對(duì)稱(chēng)性。對(duì)于全息概念來(lái)說(shuō)，反德西特時(shí)空的重要性就在于它擁有一個(gè)位于“無(wú)限”處的邊界，這一點(diǎn)和我們的日常時(shí)空非常相似。

　　利用反德西特時(shí)空，理論家設(shè)計(jì)出了一個(gè)全息原理起作用的具體例子：一個(gè)在反德西特時(shí)空內(nèi)運(yùn)作的宇宙可以用超弦理論完全描述，這套描述與在該時(shí)空邊界上起作用的量子場(chǎng)論完全等效。這樣，上述反德西特時(shí)空內(nèi)部超弦理論的全部奧秘就都被畫(huà)在了該宇宙的邊界上。1997年，Juan Maldacena(那時(shí)他還在哈佛大學(xué))首先推測(cè)，在5維反德西特時(shí)空上存在這種關(guān)系。此后，美國(guó)新澤西州普林斯頓大學(xué)高級(jí)研究院的Edward Witten及普林斯頓大學(xué)的Steven S.Gubser、Igor R.Klebanov和Alexander M.Polyakov在多種情況下證實(shí)了該推測(cè)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道在多種不同維數(shù)的時(shí)空上都存在著這樣的全息對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　這個(gè)結(jié)論意味著，兩個(gè)表面上看來(lái)非常不同的理論(它們甚至是各自生效在不同維數(shù)的時(shí)空里)是完全等效的。生存在這些宇宙中的生物將無(wú)法確定它們是棲息于一個(gè)由弦論描述的4維時(shí)空中。(當(dāng)然，這些生物的大腦結(jié)構(gòu)也許會(huì)給它們一種“常識(shí)”，讓它們以為自己是生存于某一種宇宙中。就像我們的大腦結(jié)構(gòu)讓我們有一種內(nèi)在的感覺(jué)，我們的宇宙具有3維空間結(jié)構(gòu)；)

　　全息等價(jià)使得一個(gè)在某一時(shí)空中難以計(jì)算的問(wèn)題可以用另一種方式解決。比如，4維邊界時(shí)空上夸克和膠子特性的計(jì)算，就可以轉(zhuǎn)化為在高度對(duì)稱(chēng)的5維反德西特時(shí)空上更簡(jiǎn)易的計(jì)算。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系還有其他的表現(xiàn)方式。Witten就曾證明，反德西特時(shí)空上的黑洞等價(jià)于其邊界時(shí)空上的熱輻射體。黑洞這個(gè)神秘概念的熵就等于該輻射體的熵，顯然后者要容易理解得多。

不斷膨脹的宇宙

　　高度對(duì)稱(chēng)且空曠的5維反德西特時(shí)空和我們這個(gè)充斥著物質(zhì)和輻射且不斷受劇烈事件擾動(dòng)的4維宇宙似乎有很大不同。即使把我們的宇宙近似為一個(gè)物質(zhì)和輻射體均勻分布的系統(tǒng)，我們得到的也不是一個(gè)反德西特宇宙，我們得到的將是一個(gè)“弗里德曼-羅伯遜-沃克”宇宙。今天絕大部分的天文學(xué)家都認(rèn)為我們的宇宙是一個(gè)無(wú)限的、無(wú)邊界的并將永遠(yuǎn)膨脹的“弗里德曼-羅伯遜-沃克”宇宙。

　　這樣的一個(gè)宇宙還遵守全息原理或具有全息界嗎？Susskind基于坍塌至黑洞的推斷在這里毫無(wú)作用。實(shí)際上，由黑洞所導(dǎo)出的全息界必然在我們這個(gè)單調(diào)膨脹的宇宙中失效。一塊均勻分布著物質(zhì)和輻射的區(qū)域的熵確實(shí)將和它的體積成正比。這樣的話(huà)，一塊足夠大的區(qū)域(所包含的熵)就會(huì)突破全息界。

　　Raphael Bousso于1999年(當(dāng)時(shí)在斯坦福大學(xué))提出了一個(gè)改進(jìn)的全息界，后來(lái)發(fā)現(xiàn)這個(gè)界在上面所述的那些原全息界遇到問(wèn)題的地方還能適用。Bousso這個(gè)全息界的構(gòu)成起始于任意合適的2維界面；它可以像一張紙那樣是開(kāi)放的。現(xiàn)在讓我們來(lái)想象一束短暫的光線(xiàn)同時(shí)從這個(gè)界面的一邊垂直射入。這里惟一的要求就是這些虛擬的光線(xiàn)都是從同一點(diǎn)發(fā)射出來(lái)的。例如說(shuō)，從一個(gè)球面的內(nèi)部透射出來(lái)的光線(xiàn)就符合這一要求?，F(xiàn)在讓我們來(lái)看這些光線(xiàn)所經(jīng)過(guò)的物質(zhì)和輻射體的熵。Bousso推測(cè)說(shuō)這個(gè)熵值不能超過(guò)由初始界面所代表的熵——表面積的1/4(以普朗克面積為單位)。這種計(jì)算熵的方法和原來(lái)那種全息界的計(jì)算方法有所不同。Bousso界并非只考慮某一時(shí)刻某一區(qū)域的熵值，它計(jì)算的是不同時(shí)間不同位置的熵值之和：那些被從表面來(lái)的光線(xiàn)所“照亮”的熵。

　　Bousso界在繼承其他熵界的基礎(chǔ)上又避免了它們的局限性。只要所涉及的孤立系統(tǒng)變化不是很快，引力場(chǎng)不是很強(qiáng)，無(wú)論是宇宙熵界還是全息界的’t Hooft-Susskind形式都可以從Bousso界中推導(dǎo)得出。如果這些條件都不滿(mǎn)足——例如涉及的物質(zhì)已經(jīng)落入了黑洞之中，那么這些界就將失效，但Bousso界卻能繼續(xù)適用。Bousso還證明了，他的這一方法能用于定位建立世界全息圖形的2維界面。

革命性的前夜

　　研究人員已經(jīng)提出了各種各樣的熵界。對(duì)于全息這一課題，存在那么多的流派，這證明它還沒(méi)有上升到物理定律的高度。雖然全息的思想還沒(méi)有完全被我們所理解，但它看起來(lái)確確實(shí)實(shí)是對(duì)的。隨之而來(lái)的是，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，盛行了50年的那個(gè)基本信仰，即場(chǎng)論是物理學(xué)的最終語(yǔ)言的看法，必須拋棄了。場(chǎng)，比如說(shuō)電磁場(chǎng)，不同點(diǎn)之間是連續(xù)變化的，因而它們描述的自由度是無(wú)限的。超弦理論也支持無(wú)限多的自由度。

　　全息論則將一個(gè)封閉界面里的自由度限制到一個(gè)有限的數(shù)目上；場(chǎng)論因?yàn)槠渥杂啥鹊臒o(wú)限所以不可能是最終理論。此外，即使自由度無(wú)限的問(wèn)題得到了解決，信息量和表面界之間那種神秘的對(duì)應(yīng)關(guān)系也應(yīng)該得到解決。

　　全息論也許為另一個(gè)更好的理論指明了方向?；纠碚搼?yīng)該是什么樣子的？全息論發(fā)展過(guò)程中的一系列論證推理讓某些科學(xué)家(其中最著名的是加拿大沃特盧理論物理Perimeter學(xué)院的Lee Smolin)提出，最終理論考慮的不是場(chǎng)，甚至不是時(shí)空，而應(yīng)該是物理過(guò)程之間的信息交換。如果真是這樣的話(huà)，把信息看成世界的組成部分的觀(guān)點(diǎn)就體觀(guān)了它的價(jià)值。 [摘自 科學(xué)雜志]

巴人論評(píng)：此宇宙信息論初步提出目前完全屬概念性的看法。將宇宙信息的全部核心歸于黑洞理論似乎太過(guò)于簡(jiǎn)單。宇宙物質(zhì)應(yīng)該是宇宙所有信息流的載體，能量是信息流的表征。宇宙的一切信息流動(dòng)都基于宇宙所有粒子的屬性。宇宙物質(zhì)的能量交換是構(gòu)成宇宙信息化的基礎(chǔ)。在宇宙信息論中，時(shí)間是沒(méi)有絕對(duì)意義的，它不過(guò)是宇宙各種運(yùn)動(dòng)相對(duì)人類(lèi)感知而人為定義的特殊概念。時(shí)間概念的創(chuàng)立完全原于太陽(yáng)系內(nèi)天體的周期運(yùn)動(dòng)。宇宙信息論不是一種單一化絕對(duì)的東西。

2003-11-27