全息的宇宙
所謂全息，即全部信息，本意是指在二維照片底版上記錄了三維物體的全部信息。通常的照相底版上只記錄了光的強度，而全息照相不僅能記錄光的強度，還記錄了光的相位，所以可以用相干光從中提取三維物體的全部幾何信息。但你可曾想過，我們身處的宇宙也是張全息圖。
說宇宙是張全息圖，是指宇宙具有類似全息圖的性質。這一發現源於黑洞物理的研究。黑洞是一類特殊的天體，其引力非常強，以至於連光也被吸引住了。所以黑洞是“黑”的，人們無法看到。從數學上講，黑洞指的是愛因斯坦廣義相對論引力場方程的一類特殊解，是時空的一個區域，其邊界叫視界。任何物體穿過視界進入黑洞後，就不能再返回到外部世界了。所以黑洞視界是一張單向膜，將黑洞的內外隔離開來。
自然界豐富多彩，變化萬千。但物質間的基本相互作用只有4類：引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用。強相互作用和弱相互作用是短程力，只存在於核子內。引力相互作用和電磁相互作用是長程力，我們日常生活能感知的自然現象均由其形成。牛頓於1687年提出了萬有引力定律，統一了地上的引力現象和天上行星的運動規律。而在1915年，愛因斯坦發現，事實上自然界並不存在引力，所謂引力其實是時空彎曲的效應。愛因斯坦的廣義相對論將時空的彎曲和時空中的物質分佈聯繫在一起，蘊含著豐富的哲學思想。在解釋愛因斯坦廣義相對論時，著名物理學家惠勒曾說：“
時空中的物質告訴時空如何彎曲，而彎曲的時空告訴物質在其中如何運動。”著名理論物理學家朗道曾評價廣義相對論“可能是最漂亮的理論”。1973年，貝肯斯坦發現一個黑洞必須具有熵，不然在涉及黑洞的物理過程中會違背熱力學第二定律（熵增加定律）。他證明了黑洞的熵必須正比於黑洞視界的面積。1974年，霍金證明黑洞其實並不“黑”，一個黑洞會以黑體熱輻射的形式向外輻射能量，其溫度正比於黑洞的表面引力。貝肯斯坦、霍金等人的工作證明，黑洞其實是一個熱力學體系，它有質量、溫度、熵等熱力學量，這些熱力學量滿足熱力學的三大定律。
一個體系的熵是其微觀自由度的刻畫。在熱力學統計物理中，熵是一個廣延量，即它正比於其體積：一個體系體積越大，其熵越大。而一個黑洞的熵卻正比於其表面積，而非體積。這一特殊的性質暗含著深刻的內涵，它揭示出引力具有非同一般的性質—全息。引力具有全息性質這一概念是在1993年由諾貝爾物理獎獲得者特霍夫特提出的。1994年，美國斯坦福大學的物理學家薩斯坎德進一步闡述了這一思想。所謂
引力的全息性質，是指一個引力體系其有效自由度正比於其體系表面，就好像分佈在其表面上一樣。如果這樣，我們的宇宙就是一張全息圖，其自由度（所有性質，包括動力學過程）完全可以在一個全息屏上描述。實現引力全息原理的第一個漂亮例子，由馬爾達西那在超弦理論中提出。1997年底，通過研究超弦理論的非微擾孤子（D-膜）的性質，馬爾達西那發現一個在反德西特（AdS）時空（一類帶一個負宇宙學常數愛因斯坦引力場方程的解）上的量子引力理論等價於在這個反德西特時空邊界上的共形場論（CFT）。這就是所謂的AdS/CFT對偶性。一個典型的例子是在一個五維反德西特時空（直積一個五維的球）上的IIB超弦理論等價於這個反德西特時空邊界（一個四維平坦時空）上的一個超對稱楊-米爾斯場論。稍後，著名超弦理論家威騰等構造了一個數學關係，聯繫了在反德西特時空中的量子引力理論和反德西特邊界上的共形場論。這個關係有時被稱為AdS/CFT對偶性字典，因為它映射了兩個理論之間的一一對應關係。
引力全息性質的發現是過去二十餘年引力及其相關領域最重要的進展之一，引領了人們對引力認識質的飛越。它一方面揭示了引力的本質屬性，另一方面根據AdS/CFT強弱對偶性，人們可以利用引力理論研究強耦合物理系統的性質，而這些性質是無法用傳統的微擾量子場論方法獲得的。研究引力的全息性質及其在其他領域中的應用是近年的主要發展方向。例如，將AdS/CFT對偶性應用於低能量子色動力學、凝聚態物理等，都取得了一些有意義的結果和重要的進展。其他重要研究課題包括理解漸近德西特時空、漸近平坦時空的全息性質，將引力全息性質用於宇宙學的考察，研究引力全息性質和量子信息的關係，時空的重構等。
作者簡介: 蔡榮根， 中國科學院院士，中科院理論物理所研究員、副所長（主持工作）。1995年在復旦大學取得博士學位。現兼任中國物理學會引力和相對論天體物理學會主任，國際廣義相對論和引力學會理事，亞太物理學會天體物理、引力和宇宙學分會副理事長，金磚國家引力、宇宙學和天體物理學會理事長。研究領域為引力理論和宇宙學，在引力的全息性質及其應用、黑洞物理、暗能量、早期宇宙學、引力波等方面發表論文超過240篇，他引1.2萬餘次。曾獲國家自然科學二等獎、湯森路透全球高被引科學家獎等獎項。
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