宇宙是由位元構成的嗎？（已更新）

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撰文：穆易爾（Michael Moyer）
翻譯：張明哲
提供：科學人

                               
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這個世界是模糊的──霍根（Craig Hogan）如此相信。霍根是美國芝加哥大學的物理學家，也是費米國家實驗室粒子天文物理中心主任，他並不是在隱喻，而是認為若能一窺時空的最小分割，應該會發現宇宙充滿了內在的顫動、持續的嗡嗡聲。這種嗡嗡聲並不是來自物理學家以往所說的粒子的創生與湮滅，或是其他種類的量子泡沫。霍根所說的雜訊來自於：空間不是我們以為的那樣平滑與連續，像是場與粒子活動的透明背景。如果空間是由小塊，或說由位元組成的，就會有霍根所說的雜訊，意味著宇宙是數位化的。

在一個涼爽的早秋午後，霍根帶著我參觀建造中的偵測裝置。費米實驗室園區裡的土黃色草原上，矗立著一棟亮藍色的小屋，在這有著45年歷史的園區裡，這是唯一的新建築。由小屋伸出一條手臂般粗、40公尺長的管線，到一個與其垂直的長形掩體，這個掩體原先是用來將次原子粒子束向北方的明尼蘇達州發射的。霍根所稱的「全像儀」（holometer）就在裡頭，這具儀器是設計用來放大空間裡的顫動。

霍根拿出一根粉筆，開始在藍色小屋的牆壁上寫字，他隨興而仔細地說明了如何利用管中反射的雷射來放大空間的顆粒結構。他先解釋20世紀最成功的兩個理論──量子力學與廣義相對論──為何不可能相容。在最小的尺度下，這兩者都會完全失效。這個尺度之所以特殊，還有一個理由：它和「宇宙的0與1」這種資訊科學有著密切的關聯。在過去幾十年間，物理學家深刻理解到宇宙是如何儲存資訊的，這甚至使他們認為「存在」的基本組成單元可能是資訊，而非物質與能量。資訊由位元組成，而宇宙源自這些位元。

霍根說，如果我們認真看待這種想法，就應該能測量空間的數位雜訊。因此，他設計了一個實驗來傾聽宇宙最基本尺度下的嗡嗡聲。他可能會是第一個告訴你這行不通的人，因為什麼也沒測到。他這種努力算是真正的「實驗」，一種探索未知的試驗。霍根說：「即使是身經百戰的時空物理跟量子力學，也無法預測出我們會看到什麼。不過，對我來說，這正是做這實驗的理由──真正走進去一探究竟。」

那如果真的看到顫動的話呢？霍根說：「它會改變物理的架構。」空間和時間會與我們現在想的很不一樣。

多年來，粒子物理學家都沒做過這類冒險式的探討。1960年代末、70年代初，科學家發展出一整套現在稱為粒子物理標準模型的理論與見解，並在之後幾十年裡受到越來越深入、越來越精確的實驗所試煉。霍根說：「一貫的模式是，理論學家先提出一個想法，例如希格斯玻色子，得出一個模型，然後做出預測，再由實驗來判定它是否出局。」所以是先有理論，然後才有實驗。

這種保守的做法之所以存在，有個很好的理由：粒子物理實驗常常貴得離譜。歐洲核子研究組織（CERN）的大強子對撞機（LHC）花了約50億美元建造，是有史以來最精細、最複雜、最準確的機器，現在全球數以千計的物理學家都在關注它。科學家懷疑，如果要蓋能量更高、尺寸更大、造價更昂貴的下一代粒子對撞機，野心太大了，人們可能根本拒絕花這個錢。

LHC的一個實驗，參與的研究人員可能超過3000人，而霍根在費米實驗室的小組僅約20人，其中包括麻省理工學院跟密西根大學的資深顧問，這些人並沒有每天在設備旁邊工作。霍根主要從事理論物理，並不熟悉真空幫浦以及固態雷射這些東西，所以他找了周思庭（Aaron Chou）這位實驗學家共同主持實驗，他在霍根送出計畫時進了費米實驗室。2011年夏天，他們獲得200萬美元的經費，這在LHC只夠買個超導磁鐵跟一杯咖啡，但足以負擔這整個計畫。「低科技可行的話，我們就不用高科技。」霍根說。

這個實驗之所以這麼便宜，是因為它基本上是一個19世紀實驗的改良版，這個著名的實驗摧毀了當時人們對事物的看法。19世紀初，物理學家已經知道光是一種波動，也知道各種波的性質。從池塘裡的水波到空氣裡的聲波，都有幾種共通的重要特性。就像雕塑一樣，波動總是需要介質，某種讓波得以傳播的材料。人們因此推論，既然光是波動，它一定也需要介質，一種看不見的、充塞在宇宙裡的材料。科學家把這種神秘的介質稱為以太（Ether）。

1887年，邁克生（Albet A. Michelson）和莫立（Edward W. Morley）設計了一個實驗來尋找以太。他們建造一個L型的干涉儀，有兩條光臂，可測量微小的變動。單一光源放出的光會沿著兩條光臂行進，經光臂尾端的鏡片反射，然後在起始點會合。光通過光臂的時間即使只改變不到一微秒，會合的光也會因此變暗。邁克生和莫立架設好干涉儀後，持續好幾個月監看會合的光。幾個月裡，地球繞著太陽運行，依地球位置的不同，靜止的以太應該會改變光通過垂直光臂的時間。只要測出這種變化，就能確認以太的存在。

當然，這個實驗什麼也沒找到，摧毀了人類百年來的宇宙觀。然而，就像森林大火一樣，將以太清除之後，革命性的新觀念才得以出頭。沒有以太，代表不管你怎樣移動，光的行進速度都相同。幾十年以後，愛因斯坦抓住這個想法，推導出他的相對論。

霍根的干涉儀要找的是和以太類似的背景，一種看不見（或許不存在）但充塞宇宙的材料。藉著兩個相疊的邁克生干涉儀，他想要探索宇宙的最小尺度，在此尺度下量子力學跟相對論都會失效，而資訊則以位元的型式存在。

普朗克尺度不只是小，而且是最小的。如果你把一顆粒子放入一個邊長為普朗克長度的方盒裡，相對論說它會比同樣大小的黑洞還重。但是量子力學的定律說，任何比普朗克長度還小的黑洞，所含能量必然少於一個能量量子，而這是不可能的。所以普朗克長度裡藏著矛盾。

普朗克長度的物理，不僅與量子力學及相對論在該尺度失效有關，在過去幾十年內，關於黑洞本質的論辯，更讓我們對普朗克尺度有了全新的理解。我們的最佳理論或許在那兒會失效，但會有其他理論取而代之。有一種想法是，宇宙的本質是資訊，而生成宇宙的基本資訊單元就待在普朗克尺度裡。

「資訊表示事物間的差異。」2011年夏天，史丹佛大學的物理學家色斯金（Leonard Susskind）在紐約大學的一次演講裡解釋：「這是很基本的物理原則，差異從來不會消失，它們可能會亂掉或混在一起，但從來不會消失。」即使這本雜誌在資源回收廠裡被溶成紙漿，這些頁面上的資訊雖會被重組，但不會消失。理論上，破敗的過程可被逆轉，可以從紙漿裡重建文字與相片，即便實際上這幾乎是不可能做到的。

物理學家長久以來同意這項原則，除了一個特例：如果這本雜誌被丟進黑洞裡呢？畢竟，沒有任何東西可以從黑洞裡出來。把紙張丟進黑洞之後，黑洞似乎會和丟進紙張前幾乎一模一樣──或許只是重了幾公克。雖然霍金（Stephen Hawking）在1975年說明黑洞可以輻射出物質與能量（現在稱為“霍金輻射”），但這種輻射似乎不具有結構，只是單調的嘶嘶聲，因此他下的結論是：黑洞必然會銷毀資訊。

霍金的同儕，包括色斯金跟荷蘭烏特列茲大學的理論物理學家特霍夫特（Gerard 't Hooft），後來獲得1999年諾貝爾物理獎，都認為這不合理。色斯金解釋：「只要你開了一扇門，允許一點點資訊消失，就足以讓整個我們已知的結構崩壞。」

不過，霍金並沒有認輸，所以物理學家在接下來的20年裡發展出能夠解釋這個差異的一個新理論：全像原理（Holographic Principle）。這理論是說，物體掉入黑洞之後雖然消失了，但是這物體的資訊卻烙印在環繞黑洞的曲面——事件视界（Event Horizon）上。只要有正確的工具，理論上就能夠像回收廠的紙漿一樣，由黑洞重建出雜誌。黑洞的事件視界，也就是任何東西都有去無回的邊界，肩負著做記錄的任務，所以資訊並沒有消失。

這個原理不只是一種記錄的手法，它代表著雖然我們的世界看起來像是三維的，其中的資訊卻儲藏在二維的曲面上。還有，固定面積上所能儲存的資訊量是有限的，如果你把曲面切割為棋盤狀，每個方格的邊長為兩個普朗克長度，則這個曲面的資訊量一定會少於方格數。

1999~2000年，現在任職美國加州大學柏克萊分校的布索（Raphael Bousso）發表了一系列的文章，說明了如何將全像原理由黑洞外的簡單曲面進一步推廣。他想像在黑暗中，有一物體被一堆閃光燈圍繞著。往內匯聚的光形成一曲面，像是以光速收縮的泡泡。就在這個二維曲面（稱為光曲面，light sheet）上，儲存著所有關於你（或是流感病毒、超新星等）的資訊。

根據全像原理，這個光曲面得做許多事。它有著曲面內所有粒子、電子、夸克、微中子以及其間作用力的資訊。不過，只把光曲面想成一張底片，被動地記錄真實世界發生的事情是不對的。其實應該是先有光曲面，它將資訊投射到世界裡，創造出所有我們看到的東西。在一些解釋裡，光曲面不只產生了所有的力與粒子，還給出時空本身。普林斯頓大學的物理學家福林（Herman Verlinde，曾經是特霍夫特的學生）這麼說：「我認為時空是突現（emergent）而來的，它是源自於一堆的0與1。」

有個問題：雖然許多物理學家同意全像原理是對的，曲面上的資訊包含這世界的所有資訊，但他們不知道資訊如何烙印上去、大自然如何處理這些0與1，也不知道處理的結果如何產生這個世界。他們懷疑這宇宙就像個大計算機，其資訊變出我們所看到的物理實體，不過現在這個計算機就像個未知的大黑箱。

物理學家對全像原理如此興奮、願意花上數十年來拓展它的最終原因，除了說服霍金他想錯了之外，是因為它說明了資訊、物質，與重力間的密切關係。全像原理或許終將得以調和量子力學與廣義相對論這兩個極端成功、但又不相容的20世紀物理学的支柱。布索說：「全像原理是量子重力的路標，」這個見解指引著我們前進超越現有的理論，「但我們可能還需要更多的路標。」

這片混亂下，霍根手上沒有大統一理論，只有簡單的全像儀。不過霍根不需要大統一理論；他不必解決所有的難題，只須找出一個基礎的事實：這宇宙是個位元化的世界嗎？如果他做到了，那他就立了一個路標，一個指向數位化宇宙的超大箭頭，告訴物理學家該往哪裡去。

根據霍根的說法，在位元化的世界裡，空間本身是量子的，從普朗克尺度下離散的、量子化的位元突現出來。如果它是量子的，就會有量子力學裡的不確定性。它不會像是平滑的背景般靜止不動，量子力學會使空間變得粗糙且振盪，使周邊的世界跟著受影響。德州農工大學的天文學家桑澤夫（Nicholas B. Suntzeff）說：「取代宇宙裡這種古典、透明、晶體般的以太的，是在極微小尺度下的微小泡沫起伏。它大大改變了宇宙的質地。」

問題是，要如何鑽進時空泡沫的尺度，並加以測量？這時我們會遇到普朗克尺度的問題。霍根的全像儀試著避免直接面對普朗克長度，因為它實在太小了，要以現有的實驗（例如粒子加速器）測量它，所需要的儀器尺寸幾乎得橫跨整個銀河系。

邁克生和莫立利用干涉儀探測事實上並不存在的以太時，藉著比較兩道行進了一段距離的光束來測量微小的改變（地球繞太陽運行時光速的變化）。基本上，距離越長，訊號越佳。霍根的干涉儀也是如此。他鑽到普朗克長度所用的策略，就是在處理顫動的量子系統時，測量累積的誤差。

「當我看電視或電腦螢幕時，每個畫面都是平滑而清楚的。」周思庭說道：「不過如果靠近一點看，就會看到像素。」時空也是如此。在我們人類覺得自在的層級，也就是人、建築物、顯微鏡的層級，空間似乎平滑而連續，我們從來沒看過街上的車輛像被雷擊一般、突然跳動位置。

然而在霍根的全像世界裡，這種事就是會發生。空間本身是離散的、或說是量子化的，它從一個更深入的、我們仍不了解的基本量子系統裡浮現。「這有點像在騙人，因為我並沒有理論。」霍根說：「但這只是第一步，我可以對量子重力學家說：『你們去負責想吧。』」

霍根的全像儀跟邁克生和莫立的很像，差別在於多了微電子電路及兩瓦特的雷射。一個雷射光束打到分束器之後一分為二，這兩個光束沿著L型干涉儀兩條40公尺長的光臂行進，經兩光臂底端的鏡片反射後，回到分束器並會合。不過，霍根要測的不是地球在以太中的運動，而是分束器被有微小起伏的空間晃動後，光束路徑長度的改變。如果時空在普朗克尺度下像翻騰的海面的話，分束器就會像是浪上晃動的小艇。雷射光束在全像儀來回行進的時間裡，分束器的晃動累積到夠多的普朗克長度，就可以被測量出來。

當然，關於分束器為何會在這兒或那兒動上幾個普朗克長度，你可以想出許多理由，例如大樓外發動中的汽車引擎，或是伊利諾的強風晃動了基座。

這些問題困擾著另一個干涉儀計畫的科學家，也就是在路易斯安那州利文斯頓及華盛頓州漢福郊外所建造的雷射干涉儀重力波觀測站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）。建造這個大型的實驗站是為了觀測重力波，例如中子星碰撞之後所產生的時空漣漪。不幸的是，對LIGO的科學家來說，重力波晃動地面的頻率和其他較無趣的事件所產生的一模一樣，例如，一旁經過的卡車和倒下的樹。因此，偵測器必須完全隔離雜訊及避免振動。（government打算在位於漢福的實驗設施附近建風力發電站，這件事讓相關的物理學家大為驚慌，因為僅是葉片的振動就能讓偵測器充滿雜訊。）

霍根所要找的晃動會快得多，每秒顫動個幾百萬次，所以不會有相同的雜訊問題，只有附近調幅無線電台以相同頻率放送的廣播可能會干擾到。芝加哥大學的物理學家、現在正參與全像儀的梅爾（Stephan Meyer）說：「沒有其他東西是以那個頻率振動，如果我們發現了，那就是一個可信的信號，表示真的有顫動。」

在粒子物理的世界裡，可信的信號並不容易獲得。霍根說：「這算是種老式的做法，適用於這種老式物理，也就是『我們想要沒有偏見地找出自然界在做什麼』。」為了便於理解，他喜歡講一個跟相對論及量子力學的起源有關的對比。愛因斯坦坐在桌子前，由第一原理出發，以數學推導而發現廣義相對論。它解決了少數幾個實驗的困惑，而要到幾年後才有第一個真正的實驗測試。另一方面，量子力學是因為有許多令人困惑的實驗結果，逼著理論學家非解決不可。霍根說：「如果不是受到數據所逼，沒有一個正常的理論學家會發明出量子力學。」，結果它成了科學史上最成功的理論。

同樣的，這幾年來理論學家建立了弦論之類的漂亮理論，雖然還不清楚應該如何測試它，也不知道是否真的有辦法測試。霍根建造全像儀的目的，就在於創造出令人困惑的數據，讓未來的理論學家解釋。他說：「物理停滯不前已經很久了，如何重新讓它動起來？有時候靠的就是一個實驗。」


（本文原載科學人2012年第121期3月號）

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新闻背景：（转自维基百科）


环圈量子重力論

环圈量子重力論（loop quantum gravity，LQG），又譯回圈量子重力論，英文別名迴圈重力（loop gravity）及量子幾何學（quantum geometry）；由阿貝·阿希提卡（Ahbay Ashtekar）、李·施莫林（Lee Smolin）、卡洛·洛华利（Carlo Rovelli）等人發展出來的量子重力理論，与弦理论一并是目前為止將引力論量子化最成功的理論。

利用量子场论的微扰理論来实现引力论的量子化的理论是不能被重整化的。如果主張时空只有四维，从廣義相對論下手，结果可以把廣義相對論转变成类似規範場論的理論，基本正則變量为阿希提卡-巴贝罗联络（Ashtekar-Barbero Connection）而非度规张量，再以联络定义的平移算子（holonomy）以及通量变数(flux variable)为基本变量实现量子化。

在此理論下，時空描述是呈背景獨立，由關係性迴圈織成的自旋網絡鋪成時空幾何。網絡中每條邊及每個節點分別為一普朗克長度及普朗克體積。迴圈並不存在於時空中，迴圈扭結的方式定義時空幾何。在普朗克尺度下，時空幾何充滿隨機的量子漲落，因此自旋網絡又稱為自旋泡沫（Spin foam）。在此理論下，時空是離散的。

全像原理

全像原理（Holographic Principle）是“一个系统原则上可以由它的边界上的一些自由度完全描述”，是基于黑洞的量子性质提出的一个新的基本原理。其实这个基本原理是联系量子元和量子位结合的量子论的。其数学证明是，时空有多少维，就有多少量子元；有多少量子元，就有多少量子位。它们一起组成类似矩阵的时空有限集，即它们的排列组合集。全像不全，是说选排列数，选空集与选全排列，有对偶性。即一定维数时空的全息性完全等价于少一个量子位的排列数全息性；这类似“量子避错编码原理”，从根本上解决了量子计算中的编码错误造成的系统计算误差问题。而时空的量子计算，类似生物DNA的双螺旋结构的双共轭编码，它是把实与虚、正与负双共轭编码组织在一起的量子计算机。这可叫做“生物时空学”，这其中的“熵”，也类似“宏观的熵”，不但指混乱程度，也指一个范围。时间指的是不是一个范围？从“源于生活”来说，应该是。因此，所有的位置和时间都是范围。位置“熵”为面积“熵”，时间“熵”为热力学箭头“熵”。其次，类似N数量子元和N数量子位的二元排列，与N数行和N数列的行列式或矩阵类似的二元排列，其中有一个不相同，是行列式或矩阵比N数量子元和N数量子位的二元排列少了一个量子位，这是否类似全像原理，N数量子元和N数量子位的二元排列是一个可积系统，它的任何动力学都可以用低一个量子位类似N数行和N数列的行列式或矩阵的场论来描述呢？数学上也许是可以证明或探究的。

看完了      晕了

好深奥，没看明白

与楼上两位一样，没搞明白。

没搞明白，呵呵

宇宙在很多方面跟电子游戏是完全一样的道理

以太理论改头换面复活了。

能不能发多个楼，并改为简体字呢？

这样的文章，一般人都看不下去呢……

gohomeman1 发表于 2012-11-25 15:18

                               
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能不能发多个楼，并改为简体字呢？

这样的文章，一般人都看不下去呢…… ...

我试试吧！也不知能不能做到。。。这是从台湾网站转过来的所以是繁体。不过，我想这应该难不倒咱一众同好！或者我试着吧字体放大吧！！

简体原文：

这个世界是模糊的──霍根（Craig Hogan）如此相信。霍根是美国芝加哥大学的物理学家，也是费米国家实验室粒子天文物理中心主任，他并不是在隐喻，而是认為若能一窥时空的最小分割，应该会发现宇宙充满了内在的颤动、持续的嗡嗡声。这种嗡嗡声并不是来自物理学家以往所说的粒子的创生与演灭，或是其他种类的量子泡沫。霍根所说的杂讯来自於：空间不是我们以為的那样平滑与连续，像是场与粒子活动的透明背景。如果空间是由小块，或说由位元组成的，就会有霍根所说的杂讯，意味著宇宙是数位化的。

在一个凉爽的早秋午后，霍根带著我参观建造中的侦测装置。费米实验室园区裡的土黄色草原上，矗立著一栋亮蓝色的小屋，在这有著45年歷史的园区裡，这是唯一的新建筑。由小屋伸出一条手臂般粗、40公尺长的管线，到一个与其垂直的长形掩体，这个掩体原先是用来将次原子粒子束向北方的明尼苏达州发射的。霍根所称的「全像仪」（holometer）就在裡头，这具仪器是设计用来放大空间裡的颤动。

霍根拿出一根粉笔，开始在蓝色小屋的墙壁上写字，他随兴而仔细地说明了如何利用管中反射的雷射来放大空间的颗粒结构。他先解释20世纪最成功的两个理论──量子力学与广义相对论──為何不可能相容。在最小的尺度下，这两者都会完全失效。这个尺度之所以特殊，还有一个理由：它和「宇宙的0与1」这种资讯科学有著密切的关联。在过去几十年间，物理学家深刻理解到宇宙是如何储存资讯的，这甚至使他们认為「存在」的基本组成单元可能是资讯，而非物质与能量。资讯由位元组成，而宇宙源自这些位元。

霍根说，如果我们认真看待这种想法，就应该能测量空间的数位杂讯。因此，他设计了一个实验来倾听宇宙最基本尺度下的嗡嗡声。他可能会是第一个告诉你这行不通的人，因為什麼也没测到。他这种努力算是真正的「实验」，一种探索未知的试验。霍根说：「即使是身经百战的时空物理跟量子力学，也无法预测出我们会看到什麼。不过，对我来说，这正是做这实验的理由──真正走进去一探究竟。」

那如果真的看到颤动的话呢？霍根说：「它会改变物理的架构。」空间和时间会与我们现在想的很不一样。

多年来，粒子物理学家都没做过这类冒险式的探讨。1960年代末、70年代初，科学家发展出一整套现在称為粒子物理标準模型的理论与见解，并在之后几十年裡受到越来越深入、越来越精确的实验所试炼。霍根说：「一贯的模式是，理论学家先提出一个想法，例如希格斯玻色子，得出一个模型，然后做出预测，再由实验来判定它是否出局。」所以是先有理论，然后才有实验。

这种保守的做法之所以存在，有个很好的理由：粒子物理实验常常贵得离谱。欧洲核子研究组织（CERN）的大强子对撞机（LHC）花了约50亿美元建造，是有史以来最精细、最复杂、最準确的机器，现在全球数以千计的物理学家都在关注它。科学家怀疑，如果要盖能量更高、尺寸更大、造价更昂贵的下一代粒子对撞机，野心太大了，人们可能根本拒绝花这个钱。

LHC的一个实验，参与的研究人员可能超过3000人，而霍根在费米实验室的小组仅约20人，其中包括麻省理工学院跟密西根大学的资深顾问，这些人并没有每天在设备旁边工作。霍根主要从事理论物理，并不熟悉真空帮浦以及固态雷射这些东西，所以他找了周思庭（Aaron Chou）这位实验学家共同主持实验，他在霍根送出计画时进了费米实验室。2011年夏天，他们获得200万美元的经费，这在LHC只够买个超导磁铁跟一杯咖啡，但足以负担这整个计画。「低科技可行的话，我们就不用高科技。」霍根说。

这个实验之所以这麼便宜，是因為它基本上是一个19世纪实验的改良版，这个著名的实验摧毁了当时人们对事物的看法。19世纪初，物理学家已经知道光是一种波动，也知道各种波的性质。从池塘裡的水波到空气裡的声波，都有几种共通的重要特性。就像雕塑一样，波动总是需要介质，某种让波得以传播的材料。人们因此推论，既然光是波动，它一定也需要介质，一种看不见的、充塞在宇宙裡的材料。科学家把这种神秘的介质称為以太（Ether）。

1887年，迈克生（Albet A. Michelson）和莫立（Edward W. Morley）设计了一个实验来寻找以太。他们建造一个L型的干涉仪，有两条光臂，可测量微小的变动。单一光源放出的光会沿著两条光臂行进，经光臂尾端的镜片反射，然后在起始点会合。光通过光臂的时间即使只改变不到一微秒，会合的光也会因此变暗。迈克生和莫立架设好干涉仪后，持续好几个月监看会合的光。几个月裡，地球绕著太阳运行，依地球位置的不同，静止的以太应该会改变光通过垂直光臂的时间。只要测出这种变化，就能确认以太的存在。

当然，这个实验什麼也没找到，摧毁了人类百年来的宇宙观。然而，就像森林大火一样，将以太清除之后，革命性的新观念才得以出头。没有以太，代表不管你怎样移动，光的行进速度都相同。几十年以后，爱因斯坦抓住这个想法，推导出他的相对论。

霍根的干涉仪要找的是和以太类似的背景，一种看不见（或许不存在）但充塞宇宙的材料。藉著两个相叠的迈克生干涉仪，他想要探索宇宙的最小尺度，在此尺度下量子力学跟相对论都会失效，而资讯则以位元的型式存在。

普朗克尺度不只是小，而且是最小的。如果你把一颗粒子放入一个边长為普朗克长度的方盒裡，相对论说它会比同样大小的黑洞还重。但是量子力学的定律说，任何比普朗克长度还小的黑洞，所含能量必然少於一个能量量子，而这是不可能的。所以普朗克长度裡藏著矛盾。

普朗克长度的物理，不仅与量子力学及相对论在该尺度失效有关，在过去几十年内，关於黑洞本质的论辩，更让我们对普朗克尺度有了全新的理解。我们的最佳理论或许在那儿会失效，但会有其他理论取而代之。有一种想法是，宇宙的本质是资讯，而生成宇宙的基本资讯单元就待在普朗克尺度裡。

「资讯表示事物间的差异。」2011年夏天，史丹佛大学的物理学家色斯金（Leonard Susskind）在纽约大学的一次演讲裡解释：「这是很基本的物理原则，差异从来不会消失，它们可能会乱掉或混在一起，但从来不会消失。」即使这本杂誌在资源回收厂裡被溶成纸浆，这些页面上的资讯虽会被重组，但不会消失。理论上，破败的过程可被逆转，可以从纸浆裡重建文字与相片，即便实际上这几乎是不可能做到的。

物理学家长久以来同意这项原则，除了一个特例：如果这本杂誌被丢进黑洞裡呢？毕竟，没有任何东西可以从黑洞裡出来。把纸张丢进黑洞之后，黑洞似乎会和丢进纸张前几乎一模一样──或许只是重了几公克。虽然霍金（Stephen Hawking）在1975年说明黑洞可以辐射出物质与能量（现在称為“霍金辐射”），但这种辐射似乎不具有结构，只是单调的嘶嘶声，因此他下的结论是：黑洞必然会销毁资讯。

霍金的同儕，包括色斯金跟荷兰乌特列兹大学的理论物理学家特霍夫特（Gerard 't Hooft），后来获得1999年诺贝尔物理奖，都认為这不合理。色斯金解释：「只要你开了一扇门，允许一点点资讯消失，就足以让整个我们已知的结构崩坏。」

不过，霍金并没有认输，所以物理学家在接下来的20年裡发展出能够解释这个差异的一个新理论：全像原理（Holographic Principle）。这理论是说，物体掉入黑洞之后虽然消失了，但是这物体的资讯却烙印在环绕黑洞的曲面——事件视界（Event Horizon）上。只要有正确的工具，理论上就能够像回收厂的纸浆一样，由黑洞重建出杂誌。黑洞的事件视界，也就是任何东西都有去无回的边界，肩负著做记录的任务，所以资讯并没有消失。

这个原理不只是一种记录的手法，它代表著虽然我们的世界看起来像是三维的，其中的资讯却储藏在二维的曲面上。还有，固定面积上所能储存的资讯量是有限的，如果你把曲面切割為棋盘状，每个方格的边长為两个普朗克长度，则这个曲面的资讯量一定会少於方格数。

1999~2000年，现在任职美国加州大学柏克莱分校的布索（Raphael Bousso）发表了一系列的文章，说明了如何将全像原理由黑洞外的简单曲面进一步推广。他想像在黑暗中，有一物体被一堆闪光灯围绕著。往内汇聚的光形成一曲面，像是以光速收缩的泡泡。就在这个二维曲面（称為光曲面，light sheet）上，储存著所有关於你（或是流感病毒、超新星等）的资讯。

根据全像原理，这个光曲面得做许多事。它有著曲面内所有粒子、电子、夸克、微中子以及其间作用力的资讯。不过，只把光曲面想成一张底片，被动地记录真实世界发生的事情是不对的。其实应该是先有光曲面，它将资讯投射到世界裡，创造出所有我们看到的东西。在一些解释裡，光曲面不只產生了所有的力与粒子，还给出时空本身。普林斯顿大学的物理学家福林（Herman Verlinde，曾经是特霍夫特的学生）这麼说：「我认為时空是突现（emergent）而来的，它是源自於一堆的0与1。」

有个问题：虽然许多物理学家同意全像原理是对的，曲面上的资讯包含这世界的所有资讯，但他们不知道资讯如何烙印上去、大自然如何处理这些0与1，也不知道处理的结果如何產生这个世界。他们怀疑这宇宙就像个大计算机，其资讯变出我们所看到的物理实体，不过现在这个计算机就像个未知的大黑箱。

物理学家对全像原理如此兴奋、愿意花上数十年来拓展它的最终原因，除了说服霍金他想错了之外，是因為它说明了资讯、物质，与重力间的密切关系。全像原理或许终将得以调和量子力学与广义相对论这两个极端成功、但又不相容的20世纪物理学的支柱。布索说：「全像原理是量子重力的路标，」这个见解指引著我们前进超越现有的理论，「但我们可能还需要更多的路标。」

这片混乱下，霍根手上没有大统一理论，只有简单的全像仪。不过霍根不需要大统一理论；他不必解决所有的难题，只须找出一个基础的事实：这宇宙是个位元化的世界吗？如果他做到了，那他就立了一个路标，一个指向数位化宇宙的超大箭头，告诉物理学家该往哪裡去。

根据霍根的说法，在位元化的世界裡，空间本身是量子的，从普朗克尺度下离散的、量子化的位元突现出来。如果它是量子的，就会有量子力学裡的不确定性。它不会像是平滑的背景般静止不动，量子力学会使空间变得粗糙且振盪，使周边的世界跟著受影响。德州农工大学的天文学家桑泽夫（Nicholas B. Suntzeff）说：「取代宇宙裡这种古典、透明、晶体般的以太的，是在极微小尺度下的微小泡沫起伏。它大大改变了宇宙的质地。」

问题是，要如何钻进时空泡沫的尺度，并加以测量？这时我们会遇到普朗克尺度的问题。霍根的全像仪试著避免直接面对普朗克长度，因為它实在太小了，要以现有的实验（例如粒子加速器）测量它，所需要的仪器尺寸几乎得横跨整个银河系。

迈克生和莫立利用干涉仪探测事实上并不存在的以太时，藉著比较两道行进了一段距离的光束来测量微小的改变（地球绕太阳运行时光速的变化）。基本上，距离越长，讯号越佳。霍根的干涉仪也是如此。他钻到普朗克长度所用的策略，就是在处理颤动的量子系统时，测量累积的误差。

「当我看电视或电脑萤幕时，每个画面都是平滑而清楚的。」周思庭说道：「不过如果靠近一点看，就会看到像素。」时空也是如此。在我们人类觉得自在的层级，也就是人、建筑物、显微镜的层级，空间似乎平滑而连续，我们从来没看过街上的车辆像被雷击一般、突然跳动位置。

然而在霍根的全像世界裡，这种事就是会发生。空间本身是离散的、或说是量子化的，它从一个更深入的、我们仍不了解的基本量子系统裡浮现。「这有点像在骗人，因為我并没有理论。」霍根说：「但这只是第一步，我可以对量子重力学家说：『你们去负责想吧。』」

霍根的全像仪跟迈克生和莫立的很像，差别在於多了微电子电路及两瓦特的雷射。一个雷射光束打到分束器之后一分為二，这两个光束沿著L型干涉仪两条40公尺长的光臂行进，经两光臂底端的镜片反射后，回到分束器并会合。不过，霍根要测的不是地球在以太中的运动，而是分束器被有微小起伏的空间晃动后，光束路径长度的改变。如果时空在普朗克尺度下像翻腾的海面的话，分束器就会像是浪上晃动的小艇。雷射光束在全像仪来回行进的时间裡，分束器的晃动累积到够多的普朗克长度，就可以被测量出来。

当然，关於分束器為何会在这儿或那儿动上几个普朗克长度，你可以想出许多理由，例如大楼外发动中的汽车引擎，或是伊利诺的强风晃动了基座。

这些问题困扰著另一个干涉仪计画的科学家，也就是在路易斯安那州利文斯顿及华盛顿州汉福郊外所建造的雷射干涉仪重力波观测站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）。建造这个大型的实验站是為了观测重力波，例如中子星碰撞之后所產生的时空涟漪。不幸的是，对LIGO的科学家来说，重力波晃动地面的频率和其他较无趣的事件所產生的一模一样，例如，一旁经过的卡车和倒下的树。因此，侦测器必须完全隔离杂讯及避免振动。（government打算在位於汉福的实验设施附近建风力发电站，这件事让相关的物理学家大為惊慌，因為仅是叶片的振动就能让侦测器充满杂讯。）

霍根所要找的晃动会快得多，每秒颤动个几百万次，所以不会有相同的杂讯问题，只有附近调幅无线电台以相同频率放送的广播可能会干扰到。芝加哥大学的物理学家、现在正参与全像仪的梅尔（Stephan Meyer）说：「没有其他东西是以那个频率振动，如果我们发现了，那就是一个可信的信号，表示真的有颤动。」

在粒子物理的世界裡，可信的信号并不容易获得。霍根说：「这算是种老式的做法，适用於这种老式物理，也就是『我们想要没有偏见地找出自然界在做什麼』。」為了便於理解，他喜欢讲一个跟相对论及量子力学的起源有关的对比。爱因斯坦坐在桌子前，由第一原理出发，以数学推导而发现广义相对论。它解决了少数几个实验的困惑，而要到几年后才有第一个真正的实验测试。另一方面，量子力学是因為有许多令人困惑的实验结果，逼著理论学家非解决不可。霍根说：「如果不是受到数据所逼，没有一个正常的理论学家会发明出量子力学。」，结果它成了科学史上最成功的理论。

同样的，这几年来理论学家建立了弦论之类的漂亮理论，虽然还不清楚应该如何测试它，也不知道是否真的有办法测试。霍根建造全像仪的目的，就在於创造出令人困惑的数据，让未来的理论学家解释。他说：「物理停滞不前已经很久了，如何重新让它动起来？有时候靠的就是一个实验。」

本来就是混沌的

    个人觉得，我们现在就像当年的亚里斯多德进入了一个视野观的误区。   要想再次让物理空前发展，只有打破现在的视野感观。毕竟 三维以上的空间我们是无法想象的。
    宇宙也有可能并不是我们想象的那么复杂，就像一张白纸上的彩图一样，不管它看起来多么美妙复杂，其实质它也只是在一张纸上而已。

以太论为光的波动找个介质，位元论为量子海洋找个载体。本文似乎是这么回事。