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全像宇宙﹝三﹞—— 全像原理的反撲
2014/05/17 03:07:59瀏覽6924|回應17|推薦37
前文提要:

〇、全像原理受黑洞熱力學啟萌而生,以宇宙地平線上的資訊體為真實宇宙。三度空間非真,只是我們的錯覺。
一、全像原理以為宇宙資訊絕不消失,即便遇上黑洞仍會被 trap 在其事界上。
二、黑洞的總熵值與事界表面積成正比。
三、貝肯斯坦 — 霍金方程式 formulate 黑洞熵的計算方法。
四、黑洞熵因達貝肯斯坦上限而飽和,熱力絕對平衡的黑洞沒有時間這回事。
五、環圈量子重力、空間、時間構成環圈量子宇宙學。LQG 以幾何方式解釋黑洞熵和事界面積的關係。
六、波函數和薛丁哲方程式是量子力學的中心理論,也是對粒子運動最直接、最徹底的描述。
七、量子力學裡的量子態(即波函數值)連同它們的么正算符,加上詮釋波函數如何演繹的薛丁哲方程式,構成最嚴格的「量子決定論」。
八、量子決定論 imply 宇宙資訊永存。
九、資訊悖論緣於霍金輻射,霍金輻射緣於量子糾纏。
十、霍金於 2004 年否定自己的資訊悖論,認同全像原理。

「全像宇宙論」源自史丹佛的蘇士金(Leonard Susskind)在 1994 年九月發表的一篇論文「The World as a Hologram」(想要 PDF 文檔的找我,world 不是「世界」)。而「全像原理」來自加州大學聖塔芭芭拉分校的 Raphael Bousso 在 2002 年六月發表的「The Holographic Principle」(也有論文原檔)。

所謂 XX 論一般代表某種 conjecture,也就是臆測。科學上的臆測當然不能亂來,通常論文的寫法得有宗旨綱要、前人論述、數學演繹、推理過程、結論 proposal 等等。至於證明那還得靠實驗物理去努力。這是「理論」的產生過程,理本來就在那裡,等人發現後論而述之。

「全像原理」也並不就是「全像定律」,而是包含全像宇宙論在內的進一步說明、解釋、闡述。同樣有待實驗證明。

「The World as a Hologram」,裡頭開宗明義的第一句就是:According to ’t Hooft the combination of quantum mechanics and gravity requires the three dimensional world to be an image of data that can be stored on a two dimensional projection much like a holographic image意即:「量子力學和重力的結合『要求』三度空間宇宙必須是一個可以被儲存在二度平面上的資訊體」。

Well,量子力學和重力的結合還沒有完全成功,如果成功的話,「宇宙是一個可以被儲存在二度平面上的資訊體」的結論勢不可免,也就是說全像宇宙論必須為真。蘇公這篇論文旨在為全像宇宙論舖路。

這篇論文從一般傳統以為的空間飽和熵概念出發,對於一塊三度空間的最高可能熵值有如下一段敘述:

Let us temporarily suppose the world is a 3 dimensional lattice of spin like degrees of freedom. For definiteness assume the lattice spacing is the Planck length lp and that each site is equipped with a spin which can be in one of two states. For example a lattice fermion field theory would be of this type. Now consider the number of distinct orthogonal quantum states in a region of space of volume V .

N(V ) = 2n     (1.1)  因爲 V 裡有 n 個 site(普郎克級大小的「點」),各有 2 個 state

Where n is the number of sites in V. The logarithm of N(V) is the maximum possible entropy in V and satisfies

logN(V) = nlog2 = V log2/lp3     (1.2)  因爲各個 site 的大小是 lp3

在此 V/ lp3 = n,即the number of sites in V』。『the number of distinct orthogonal quantum states』雖不是 V 的熵但意思接近 ——『The logarithm of N(V) is the maximum possible entropy in V

這段文字主要在說爲什麼人們總以為 V 的熵值「應該」和 V 的體積而非表面積成正比。V/lp= n 是什麼?想想一個魔術方塊的 n = 27。一個 V 的 n 非常之大,因爲 l極小。無論如何n是一種立方的東西 —— 總量。所以 V 的熵「應該」與 n,也就是和體積成正比。More generally one expects that if the energy density is bounded then the maximum entropy is proportional to the volume of space,蘇士金如此敘述。

爲全像宇宙論設下基調的是貝肯斯坦 — 霍金方程式:

在貝肯斯坦 — 霍金方程式裡,S 是黑洞的熵,A 是黑洞的事界表面積,k 是波茲曼常數,小 L 是普郎克長度


理由是若不然熱力學第二定律將被違反(細節在貝肯斯坦的論文裡)。也就是說,想當然耳的上式(1.2) 並不適用於黑洞熵的計算,否則黑洞形成後的總熵值將少於原來該處空間 V 的值。貝肯斯坦 — 霍金方程式才是正確的黑洞熵計算法。


爲全像宇宙論設下第二個基調的是 ’t Hooft,他認為:...it must be possible to describe all phenomena within V by a set of degrees of freedom which reside on the surface bounding V . The number of degrees of freedom should be no larger than that of a two dimensional lattice with approximately one binary degree of freedom per Planck area. In other words the world is in a certain sense a two dimensional lattice of spins


As in the case of the hologram the flat two dimensional image must be rich enough to code the full rotationally invariant description of three dimensional objects』


而 Klebanov、Charles Thorn、蘇士金等三人共同另從弦論出發,完全有別於上面的黑洞、熱力、熵,結果也得出 the world is two dimensional 的結論。至此全像原理的基礎就益加鞏固了。


爲什麼需要如此大費周章弄出論文原本呢?因爲自我得知全像宇宙論後還沒找到任何像樣的說明或解釋。美國 Discovery Channel 曾播出過適合普羅大眾觀賞的簡介,還找來蘇公本人代言,可是內容既不深入又不淺出,完全沒有達到讓人瞭解的目的。「全像宇宙」系列文章前三篇都算是 classic,只有這完結篇是「現在進行式」,太近太新太難懂,把論文「本尊」請出來才是正辦。


在解釋過如何計算一體系的「自由度」(記得熵的定義是『一個熱力體系可以被安排的方式之總數』)後,蘇士金接著解釋一個 parton(自創字,即空間裡的一個點)的光如何垂直的在一屏幕上成像,叫 pixel,是為一普郎克級大小的點,只能記錄 0 或 1。重點是這個:蘇士金認為:no distribution of matter will ever require more than one bit of information per Planck area on the screen,也就是說,他認為任何事物(對,包括「事情」)都可以被使用這種 one bit of information per Planck area 的方式在屏幕上給記載下來,而且「綽綽有餘」。


然後他解釋一個屏幕前的黑洞,包括此黑洞背屏幕的一面如何而可能整個的被完全記錄,一前一後兩個一串的黑洞如何兩個都被記錄等等。之後又舉例說明一個軸心與屏幕垂直的圓柱體即便是在最高熵與最低能的狀態下也可以如何被屏幕完整記錄。


至於「事情」的記錄論文裡有這一段:Let us now relax the requirement that the three dimensional world is static. Instead of coding a point of space on the screen we want to code an event (x,t). As before we use light rays passing through the event and intersecting the screen at right angles. Consider a single instant of time at the screen. All the perpendicular light rays which hit the screen at that instant form a three dimensional "light front",並在提出 light front(光前)的概念後繼續解釋光前如何量子化以及它和 parton 的關係。


帶動量的粒子怎樣仍可用 Planck pixel 記錄(記得它只有 0 與 1—— 記載該粒子之不存與存在)?蘇士金解釋粒子所帶動量越多它本身也會「長大」—— 屏幕上也將使用多於一個 pixel 的方式來記錄粒子(在垂直軸方向上)的動量。


高能粒子的碰撞也可以被屏幕捕捉,叫『infromation spreading』,就是動態事件的完整描述。總之三度空間裡的宇宙萬象無事無物不能被此概念中的二度平面以一個 pixel 一個 pixel 的方式來完整描述的,甚至大如我們的宇宙!


說來湊巧今午剛在第 19 臺 Discovery Channel 看到一個節目,因為中間開始看不知題目,看完後感覺若讓我來命名當爲「存在的真相」或 The Truth of Reality。裡頭居然出現了 Gerard ’t Hooft 本尊。而他在節目中解釋道,自己雖然如何不滿但終究仍得被迫接受荒謬的量子理論,爲此現正從事於一個比量子小非常非常多倍級(其實就是普郎克級)的研究。我一聽就知道他要講 Holographic Principle。


’t Hooft 接著說,他以為真實的宇宙是一面非常非常大(但並非無限大)的(像中國圍棋那樣的)棋盤(二維屏幕來了)。在這棋盤上的每一個縱橫交叉點上都有一顆或黑或白的棋子(Planck pixel 來了,0 或 1,可變),如此這面棋盤可以 implement 宇宙萬象一切的一切(全像宇宙論來了)。


’t Hooft 認為這個普郎克級的世界觀(或論)可以解釋看似全然 chaotic 的量子力學,可以產生 Quantum Gravity 的完整理論,可以成就掙扎中的弦論,in fact 它將可以解釋我們的宇宙。


我們一般人就像一條湍急大河渡輪上的乘客,既不是船長也不是舵手。但在宇宙人生時間的長河上,人類的「理性大船」將駛向何方有賴這些聰明絕頂的專家學者們。


我知道自己不能(其實沒有人可以)不接受量子論的真實性,但它的荒謬就像電影「阿瑪迪斯」裡的莫札特,教人忍無可忍。加上還有那麼多物理世界的無解難題橫亙在人類面前,不由讓人衷心盼望 TOE(Theory of Everything)的早日出現。全像宇宙論只是諸多理論的一環,但確實是很重要的一環。在極深的層面上它暗合量子論(在解釋量力無可交代的荒謬上)、弦論(在普郎克層級的終極真實上)、熱力理論(在經典物理的統計力學上),乃至眾諸傳統物理。我傾向於接受它的論述 —— 宇宙人生萬事萬物都是在它邊界上一個有限二度空間平面上的 0 與 1 構建而成的。


難以下嚥的是這個:不是我們自以爲的宇宙人生「影射」出它們,也不是它們「造就」了我們 —— 它們,才是真正的我們;我們,不是我們。我們只是錯覺。


親愛的讀者,妳接受嗎?

( 知識學習科學百科 )
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引用網址:https://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=GolfNut&aid=13353705

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GolfNut — 無心的邂逅
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Something about 宇宙人生
2014/05/27 01:27

如果你想要了解宇宙人生,請至少先了解理查.道金斯的這段演講:

http://on.ted.com/st1k


GolfNut — 無心的邂逅
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呼叫弦論
2014/05/21 00:55
第五節『Lattice String theory』最末句道出論文開宗明義第一句「量子力學和重力的結合『要求』三度空間宇宙必須是一個可以被儲存在二度平面上的資訊體」的原委:

In the bosonic case nonlinear effects do become important and it is possible at this point that it becomes energetically prohibitive to further increase the density. If it can be shown that the string density can not exceed 1/lp2 and that the good features of lattice string theory survive beyond perturbation theory ( supersymmetry will surely be important here ) then lattice string theory is a concrete example of a holographic theory. I believe that this is an extremely important problem for string theorists who want to show that string theory really exists and defines a quantum theory of gravity. 

作者寄望 Lattice String Theory(且別管這是那種弦論)證實每一普郎克面積 lp2 將不可能容有超過一個的弦,那麼這種弦論將可能成真,並解釋量子引力 —— 同時為全相原理背書。

所以可以看出全像宇宙論和弦論如何相輔相成。蘇士金認為的:『no distribution of matter will ever require more than one bit of information per Planck area on the screen』有賴弦論證明『string density can not exceed 1/lp2』。
GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2014-05-21 01:06 回覆:

我喜歡這種「科技的人文面」。沒有人是萬能的,大家都應該互相幫忙。你去證明一個 lp不可能有一個以上的弦,我來證明一個普郎克面積裡不會有超過一個 0 與 1 以上的資訊。弦論和全像宇宙兩兩克竟全功,豈不甚好?


狐禪
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2014/05/20 20:28
這裏所有理論的前提是光速為常數。我猜很多人不願意相信這不見得完全成立。
GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2014-05-21 00:03 回覆:

現代科技確實能將光速慢到靜止,但光速的定義需在真空中,所以是常數沒錯。如果認為光速不是定值,可以以實驗證明發表。科學裡沒有「相信」。

又:本文不涉光速。

GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2014-05-21 00:21 回覆:

The speed of light in vacuum, commonly denoted c, is a universal physical constant important in many areas of physics. Its value is exactly 299,792,458 metres per second, a figure that is exact because the length of the metre is defined from this constant and theinternational standard for time.

光速不以公尺來定義,反而是公尺以光速來定義,可見光速之『常』。


SCFtw2
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述及所述~~~
2014/05/20 17:11
都超出我的理解能力~~~ Orz
GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2014-05-20 23:48 回覆:

大博士別醬子。

以前在德州唸書時,各科教授每節講完,出習題、project 也就算了,我最痛恨的就是還開書單,paper。尤其是 paper,印還要花錢。

大家底下哀聲嘆氣時,他站在前面一副不知民間疾苦貌曰:「What? Aren't you guys graduate students? You are supposed to read」。

現在我可舒服了,別說 paper 不看,書都少讀。今年快半年過去,這還是第一篇 paper。而且式子也甭導了,直接看結果。推論也不用太詳細,快翻到結論去。我對那一堆等因奉此沒興趣,大學者不會亂來的,告訴我答案就好。如此這般一篇三、四十頁的 paper 一晚可以看完。

我的表達方式可能不對一般人味口,而且太短的文交代不了太多東西。SCF 兄若有興趣,直接看這個比較清楚:The World as a Hologram 論文原檔PDF  ☜ 點這裡


GolfNut — 無心的邂逅
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第三個問題(非常重要)
2014/05/20 01:34

全像宇宙﹝〇﹞—— 錯覺世界的真實樣貌 裡寫道:Charles Thorn 在 1978 年發現,弦論顯示重力可以以一種全像的方式自二度空間(相對於宇宙三度空間是為 lower-dimensional)的描述中產生

我一直在蘇士金這篇論文The World as a Hologram裡尋找上面的論述,可是沒找著。或許 Thorn 的論述在這篇論文裡不是重點。Anyhow 1978 也是很久以前的事了,我才大學剛畢業。凡走過必留下痕跡,等我找到一定公佈。

GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2014-05-20 01:39 回覆:
絕對不是異想天開。

GolfNut — 無心的邂逅
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異想天開
2014/05/19 14:03

離散數學(Discrete Mathematics)裡的一支「自動機理論」(Automata theory)裡的「杜靈機」(Turing Machine)就是一維,卻可以實現任何運算。如果三維世界可以以二維空間的 bounding surface 上的 0 與 1 完全實現,有什麼條件限制該二維空間一切的一切不能以一維空間乃至零維空間(一個點)來實現?

GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2014-05-20 01:37 回覆:
可是可以有人更瘋狂。

GolfNut — 無心的邂逅
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這裡沒有人瘋狂
2014/05/18 22:52

好吧,我來提一個可能藏在某些人心中卻不知該如何提問的困惑。我沒有正確答案,只是自己(受全像宇宙論影響後)的想法。

爲什麼現實三維的宇宙人生不是真實的,反而宇宙外圍邊界上二維世界的資訊體才是真實的?哪一個的「真實資格」比較高?

用黑洞做比喻。之於黑洞,什麼是真的?東西全部都掉進去了,變成 singularity 的一部份,所以 singularity 才是真的,對吧?

讓我們來看看 singularity 是什麼。

Singularity 的體積是零,所以它「不存在」。它有引力沒錯,但引力是「事情的全部」嗎?當然不。

黑洞裡面又沒有空間(因爲體積爲零),也沒有時間,掉進黑洞裡的東西所謂的「真的」到底是在講什麼?什麼東西在一個宇宙裡不存在,時空俱爲零的黑洞裡是「真的」?怎麼個真法?

「真的」要講的話,黑洞的事界要夠格的多:第一、它 trap 住所有一切墜入黑洞事物的熵 —— 熵,is everything。第二、事界像數學裡的零,它是一個分水嶺,你可以算它是正,也可以算它是負,它不偏不倚,剛好在正、負的中間。第三、我們知道一切的一切都在事界上 —— 它的熵就是黑洞的熵,或許你無法從事界上「撈」回任何事物,但我們所知的真實全部在那裡。第四、黑洞內ㄧ切ㄧ切的事、物由此黑洞事界表面的熵 100% 呈現。現在,告訴我黑洞的「真實」在哪裡?在 singularity 裡還是在事界上?

黑洞裡是一個 nothingness,它的「真實」在事界上 —— 以熵爲它的「真實」的 manifestation。所以,黑洞的「真實」世界在哪裡?

無怪乎物理大師們以宇宙邊界二維平面上的普郎克屏幕爲真實 —— 你很難 argue 他們的論點。

GolfNut — 無心的邂逅(GolfNut) 於 2014-05-20 16:53 回覆:
The World as a Hologram 論文原檔PDF  ☜ 點這裡
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