有关存在本质的物理学探索

( 荷兰理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主杰拉德·特胡夫特 )

人类和宇宙中的其他物质究竟是以一种怎样的形式“存在”？或者说，“存在”的“本质”又是什么？这初听上去并不像是一个物理学家应该探索的课题，更像是如贝克特、海德格尔这样的哲学家所做的哲学探索。但是这一次，物理学家们决定介入这个话题，通过物理学实验的方式来探索存在的本质形式。

人类和宇宙万物都存在于空间和时间中，正是因为人们对于空间和时间的概念都过于熟悉和依赖，使人们不去关注时空的特性。实际上，时间和空间的本质正是物理学研究中最基本、最深刻的问题，这涉及时间、空间与物质之间的关系。在20世纪初，人们通过对于物质的研究发现，在极小的尺度下，物质会展现出完全不同于日常生活的量子态，微小的粒子会呈现出波粒二象性，同时也会受到“测不准原理”的制约。那么，时间和空间的存在形式是否也有相似之处？是否也会受到量子条件的制约？这又会以怎样的方式影响人类的存在？

物理学是一门关于实验的科学，只有经过大量实验的验证，一个物理学假说才能成为一个定理。但是在有些时候，理论物理学家会远远地走在实验物理学家前面，提出一些目前难以验证的假说。尽管如此，很多物理学假说也仍然会带给人们很多遐想。“所谓真实无非就是这些物体的影子”——2000多年前哲学家柏拉图在《理想国》中的一句比喻仿佛是对于一种理论物理学的一句精妙的预言：全息原理可能就是其中最为令人震撼的假说之一，这是一个由量子引力和弦论所引出的物理学假说，论述的正是关于宇宙中一切物体存在的本质问题，而且它完全颠覆了人类自古以来对于物质存在形式的认识。

全息原理最初是由荷兰理论物理学家，诺贝尔物理学奖得主杰拉德·特胡夫特（Gerard't Hooft）在1993年大胆提出的，随后在1997年，阿根廷理论物理学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）在此基础上又提出，引力现象可能也只是一种在高维度的宇宙中由弦论所产生的结果而已，这个解释有可能为弦论建立起一个坚实的基础，并且建立起引力理论、弦论和量子理论之间的桥梁。

全息原理主张，人们所观测到的宇宙，包括人类自身，都可能有一种更为本质的存在形式，整个宇宙可能是在“宇宙视界”处以一种高能量的二维形式存在，而我们所观测和感知的宇宙，则只是这种二维形式的映射。这种对于宇宙和人类自身存在本质的科学假说，虽然还未被实验证实，但是已经带给了人们巨大的震撼。在2013年，有几位日本物理学家通过计算机模拟来检验马尔达西那根据全息原理得出的结论，他们用计算机分别计算了弦论和全息理论对于黑洞性质的预测，结果发现两者的计算结果相吻合！这对于全息原理是一个极大的鼓舞，但是想要验证一个物理学理论，仍然需要实验来证实。

( 阿根廷理论物理学家胡安·马尔达西那 )

现在，一群实验物理学家，打算通过实验来验证全息理论。隶属于美国能源部的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）计划从2015年开始一项新的实验，来回答有关宇宙全息原理提出的问题。要验证这个理论，就要从检测时空的本质开始，时空是以什么样的形式存在？在极微小的状态下，空间是否和物质一样呈现出颗粒化的量子态？

如果做一个类比，我们在电视中看到的是二维画面，但是它所表现的是一种三维状态，而当我们凑得足够近，就可以看到电视画面上的一个个“小点”，那就是构成电视画面的最小单元，被称作一个“像素”，一个电视屏幕由很多像素构成，组合到一起才可以让人看到一个完整流畅的画面而不会感知到基本像素的存在。全息理论的描述与电视画面有类似之处，空间是否存在最基本的单位？在极微小的尺度下，空间是否也像是物质的基本粒子一样？费米实验室的天体粒子中心主任克莱格·霍根（Craig Hogan）说：“我们希望知道时空是否也像是物质一样呈现出量子态。”

在相比于一个原子也是极小的空间尺度上，时空是否也是由一个个的“像素”组成？如果是这样，那么时空也将同样受到“不确定性原理”（Uncertainty Principle）的支配——人们不可能同时掌握一个基本粒子精确的速度和位置。在这个基础上，即使是最低能量的条件下，时空本身也可能会在各个频率上存在震动，而这种震动，如果真实存在的话，就有可能被实验物理学家探测出来。

费米国家实验室的物理学家们设计了一种名为“全息测量仪”（Holometer）的实验设备，这是一种激光干涉仪，也是目前世界上可以用来测量时空自身的震动最精确的仪器，它可以探测到相当于只有地球大陆板块漂移1/10的震动。科学家们把两个全息测量仪相邻摆放，这两个机器都可以发射出1000瓦的激光束，然后通过一个分光器把激光束分为两束，在不同方向上经过了40米的行程之后，激光束被反射回来，再通过分光器合并成为一束光。如果在光线行进的过程中时空出现了极小的震动——即使是在百万分之一秒的时间内，出现了相当于一个原子的十亿分之一距离的震动，也将影响到分光器，使激光合并后发生干涉现象，进而产生出明暗相间的干涉条纹，被全息测量仪探测到，这就将是时空发生震动的证据，也将是对于全息原理的有力支持。

这种时空的“全息震动”在理论上将会出现在所有频率中，但是为了不与周围实验环境带来的其他形式的震动相混淆，实验者们决定在几百万赫兹的频率内进行测量，在这个频率范围内其他形式的干扰会大大降低。因此，如果实验者们在实验过程中可以发现一个无论如何都无法清除掉的震动——它被称为“全息噪音”（Holographic Noise），那么很有可能说明时空在极小的普朗克尺度下也是呈现出量子态的，这也就相当于时空本身的最基本的“像素点”，它将是对于全息原理的一种肯定，人类也会理解到时空和人类存在的最根本的性质。

目前已经有来自美国麻省理工学院、芝加哥大学、密歇根大学的20多名物理学家参与到这个被命名为“Fermilab E-990”的实验项目中，并且已经开始收集数据。这个实验必将吸引人们的极大关注，尽管还很遥远，这毕竟是关于人类存在本质的一种探索，如果能被证实，必将对物理学和哲学探索都产生极为深远的影响，即使全息理论被证明并不成立，也必将会对物理学家对于真实本质的探索有所提示。

（本文写作参考了费米国家实验室的相关报道） 全息探索科学科普物理全息宇宙理论物理学