模擬支持宇宙是一個「全像圖」

Simulations back up theory that Universe is a hologram
http://www.nature.com/news/simulations-back-up-theory-that-universe-is-a-hologram-1.14328

一個十維重力理論的預測，結果與維度較少之標準量子物理學的預測一樣。

Ron Cowen
Nature, 10 December 2013
doi: 10.1038/nature.2013.14328

一個物理學家團隊已提供一些迄今最明確的證據指出，我們的宇宙（Universe）可能只是一個大投影（projection，投射）。

在 1997 年，理論物理學家 Juan Maldacena 提議（註一）：一個大膽創新的宇宙模型（在其中，重力源於無限小、薄而振動的弦）能以完善確立的物理學來重新詮釋。

在數學上錯綜複雜的「弦」世界（那存在於九維空間加上一維時間中）很可能只是一個全像圖（hologram，全息影像）：「真正的作用（real action）」發生在一個更簡單、更平坦的宇宙（cosmos，下文如無特別標示，「宇宙」的原文都是 universe），在那裡沒有重力。

Maldacena 的點子令物理學家震驚，因為它提供一種方法，使熱門但仍未經證實的弦論立於堅實的基礎上，也因為它解決了量子力學與愛因斯坦的重力理論間明顯的不一致。它提供物理學家一塊數學上的羅塞塔石碑（Rosetta stone），一種二元性（duality，對偶性），讓他們能在二種語言間相互翻譯，並解「決某個模型中的某些問題，在其他模型中變得很難搞（intractable）」這樣的問題。雖然 Maldacena 構想的有效性在很大的程度上已被視為理所當然，不過嚴謹的證明仍難以捉摸。

arXiv 上貼了二篇論文，日本茨城大学（Ibaraki University）的 Yoshifumi Hyakutake（百武慶文）與其同僚現在提出（就算不是實際的證明，至少也是引人注目的證據）：Maldacena 的猜想是正確的。

在一篇論文（註二）中，Hyakutake 基於弦論（string theory）的預測以及所謂虛粒子（virtual particles，那不斷在虛實之間出沒）的效應，計算一個黑洞的內能（internal energy），其事相面（event horizon，黑洞與宇宙其他部份的邊界）的位置，它的熵與其他特性。

在另一篇論文（註三）中，他與其他同僚計算相應的（corresponding）、維度較低且沒有重力的宇宙（cosmos）的內能。這二種電腦計算竟然相符。

"那似乎是正確的計算，" Maldacena 說，他現在位於新澤西州普林斯頓市的 Institute for Advanced Study，而且並未對此團隊的研究出力。


體系改變

這些發現 "是一種測試量子重力與弦論中許多構想的有趣方法，" Maldacena 補充。他提到，這二篇論文是集此日本團隊在過去幾年來所貢獻的一系列文章之大成。"這些論文的整個次序非常好，因為那在尚未進行分析性測試的體系（regimes）中測試（宇宙本質的）對偶（dual）。"

"他們在數值上證實（或許是頭一遭）某些我們十分確定是真的，但仍是個猜想的東西 -- 亦即，某些黑洞的熱力學可自一個維度較低的宇宙重現，" Leonard Susskind 說，一位加州史丹佛大學的理論物理學家，他是首批探索全像宇宙（holographic universes）的理論學家之一。

這些由日本團隊所探索的模型宇宙，都不像我們的宇宙，Maldacena 提到。這個有一個黑洞的宇宙（cosmos）有十個維度，其中八個維度形成一個八維球體。維度較低、沒有重力的那一個，只有一維，而其量子粒子的群體（menagerie）類似一群彼此相連的理想化彈簧，或諧波振盪器（harmonic oscillator）。

Maldacena 表示，不管怎樣，「這二種看似毫不相干的世界，事實上是同一個」的數值證明，事實上同樣也賦予我們希望：我們宇宙的重力特性有朝一日也能以更簡單的、純然依據量子理論的宇宙（cosmos）來解釋。

※ 參考：

註一：Maldacena, J. M. Adv. Theor. Math. Phys. 2, 231–252 (1998).

註二：Hyakutake, Y. Preprint available at http://arxiv.org/abs/1311.7526 (2013).

註三：Hanada, M., Hyakutake, Y., Ishiki, G. & Nishimura, J. Preprint available at http://arxiv.org/abs/1311.5607 (2013).

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