全息宇宙假说的验证——华裔实验物理学家周思庭访谈录

姚人杰/编译

俯视图（左图）显示了两只真空容器，里面放置了“全息干涉仪”项目的两台干涉仪的分光镜。分光镜确保相同的激光信号被送至每台干涉仪，于是它们的测量值是相同的。周思庭（右图）与他的团队花费了许多时间对仪器进行手工调整。“我个人觉得与仪器一道工作更加有乐趣，而后来坐在办公桌后，与处理后的数据打交道就无趣得多。”周说道。照片由费米实验室提供

●到底存不存在一种空间的基本单位，由是产生宇宙的基线颗粒值？假如事实如此，那一极限就是宇宙所能存储的全部可能信息的总量上限。它还有着一种更为怪诞的含义：我们感知到的三维现实也许是种幻觉——是一种空间的投影，类似于实际上是以二维编码的全息图。这些想法也许听上去荒诞不经，可它们实际上是能够检验的。

周思庭（Aaron Chou）是伊利诺伊州巴达维亚的费米国立加速器实验室的一名物理学家，他担任了“全息干涉仪（Holographic Interferometer，简称Holometer）”研究项目的首席科学家及项目经理。周向《美国科学家》杂志副主编费内拉·桑德斯（Fenella Saunders）解释了全息干涉仪这种仪器会如何帮助解开这些谜题。

问：全息干涉仪是什么东西？你们试图寻找到什么？

答：全息干涉仪由两台40英尺长的激光干涉仪组成，能以极其精确的精度测量不同物体的相对位置，尤其是这些装置内的镜子的相对位置。干涉仪提供了任何仪器中最佳的解析度，因为它们使用的是数以几十亿计的光子，因此你能够反复进行测量。我们每秒使用大概1 022个光子。我们能分辨出的最小位置变动比原子核的尺寸还要小上大约一千倍。

我们试图了解，以这种或其他任何一种方法所能进行的测量是否存在任何精度上的极限。有若干源自于引力物理学与量子力学的想法暗示，我们所居住的时空体本身的信息存储容量是有限的，就好比硬盘或记忆棒的存储容量有限，时空体内所能装入的信息总量也有最大值。如果你试图用一种比极限精度更精确的精度来测量，你将无法办到，因为空间并没有更多位数可提供给你。

问：您能形容下这一极限与宇宙的三维本质有何联系吗？

答：你往黑洞内丢入的所有物质包含的信息最终都会被存储在黑洞表面。黑洞物理性质有个古怪的地方，黑洞包含的信息并不与黑洞的体积成正比，而是与表面积成正比。这被称为全息原理；这儿是在类推至全息图。全息图就是在二维表面上存储一张显然是三维的图像。但是，假如你以一种特殊的方式将光散射在二维表面上，被散射的光的图案会在表面上重建出三维图像。我们相信，当物体落入黑洞时所发生的情况与这个过程类似，也就是说不知怎么地，落入黑洞的物体的三维信息被转录并编码到黑洞的二维表面上。

周思庭在Holometer旁工作

问：那会如何影响宇宙的信息存储极限？

答：打个比方，你一开始遇到的情况是这样的，你压根没有任何黑洞，但你有一串记忆棒，你说了声，哎呀，我背包里的记忆棒存储容量不够用，我需要更多存储容量。我要去买更多记忆棒，把它们全塞进背包，接着我会拥有更多存储容量。假如你特别特别强壮，像绿巨人浩克一样强壮，最终会发生什么事？你把所有记忆棒都塞进背包，你的背包内的所有物质的密度变得如此之大，于是你弄出了一个黑洞。你也许会说，好吧，那不算非常好，但也没关系，我会去再多买点记忆棒。但接着你惊恐地发现，你再也没法往这个背包形状的黑洞内塞入更多信息，而黑洞还在不断扩张，于是你的背包内的信息存储密度的实际值保持原样。当我们说时空体本身可能拥有某种最大信息存储量时，指的便是这种意思。一旦你达到黑洞极限，假如你试图塞入更多信息，就要占据更多空间。

问：全息干涉仪的测量结果会如何反映出这一极限？

答：有一种预测说，假如空间的位数用完了，在测量两台紧靠彼此的装置时，会给予你相同的错误结果。从那个时刻开始，测量结果开始相互关联，而且压根就找不到原因。

问：假如你发现了这一极限，那是否意味着三维只是种构想？

答：假如最终证明了果真如此，信息是像在全息图中一样存储在二维表面上，而不是存储在三维体积中，那么我认为这会是一件十分有趣、令人好奇的事情，也许它会指引我们到其他思想和研究的道路上。我认为它并不会真的影响我们日常的三维生活。毕竟，建构一个人、动物或植物的所有指令事实上都能用一套基于四个不同字母的字母表以一维编码。大家也可以扪心自问，你是否觉得这点让你不安？

问：弄清极限是否存在的时间表是怎样的？

答：我们最近已经让探测器以最高灵敏度运行，因此我们在开始收集数据。我们期望在一年的时间后获得有报道价值的实验结果。无论何时，只要你用比以前试验过的灵敏度高得多的灵敏度来运行仪器，你肯定会发现各种各样的问题，于是从那时起，你就进入了漫长的排除故障期，为的是确保你假如见到一些看起来略显怪异的结果，你果真明白那是什么东西。所以，假如我们在目前的测量精度下见到意料之外的极限，我们有信心能从中推断出一些可靠的科学结论。

问：你或许会毫无斩获，你如何应付这种压力？

答：我在研究生院时最喜欢的一位教授向我们形容过，基础科学研究好比是出门去大海里来次午夜游泳。也许你会碰巧撞到海水里的漂浮物，但最大的可能还是遇上清澈的海水。但那并不会让你不愿外出来次午夜游泳。这个过程本身会带来乐趣与刺激。我个人把自己工作中的每次实验想成是一张彩票。我在任何一次实验中真正获得任何发现的概率小之又小。但是另一方面，并不是彻底没有希望。我做的这些实验都有着非常好的理论动机。因此，假如我们确实有所发现，那表示人生真的不错。