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标  题: [新闻] 宇宙是由位元构成的吗？
发信站: 批踢踢实业 (2012/03/08 Thu 22:51:15)

宇宙是由位元构成的吗？ http://goo.gl/cjKB9

美国有位科学家打算以简单又造价低廉的实验，测量宇宙中资讯、物质与时空的密切关系
。这项实验会改写21世纪的物理规则吗？
重点提要

■空间或许并非是平滑而连续的，它或许是数位化的、由微小的位元所组成。物理学家认
为这些位元太小了，无法以现有的技术测得。

■不过，有一位科学家认为他有办法侦测这些空间位元结构。他设计建造中的全像仪可望
测量出空间的「颗粒」。

■这是第一次以实验探讨宇宙是否源自资讯——明确地说，是那些烙印在二维曲面上的资
讯。

■这个实验成功的话，将会动摇现有的时空观，让我们一瞥能取代现有知识的新物理。
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，而是认为若能一窥时
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湮灭，或是其他种类的量子泡沫。霍根所说的杂讯来
自於：空间不是我们以为的那样平滑与连续，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後，霍根带著我参观建造中的侦测装置。费米实验室园区里的土黄色
草原上，矗立著一栋亮蓝色的小屋，在这有著45年历史的园区里，这是唯一的新建□。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）
就在里头，这具仪器是设计用来放大空间里的颤动。

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——为何不可能相容。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，这甚至使他们认为「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，因为
什麽也没测到。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麽。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
出一整套现在称为粒子物理标准模型的理论与见解，并在之後几十年里受到越来越深入、
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，然後做出预测，再由实验来判定它是否出局。」所以是先有
理论，然後才有实验。

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、最准确的机器，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。

这个实验之所以这麽便宜，是因为它基本上是一个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。从池塘里的水波到空气里的声波，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、充塞在宇宙里的材料。科学家把这种神秘的介质称为以太（
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，然後在起始点会合。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後，持续
好几个月监看会合的光。几个月里，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。
【欲阅读完整的丰富内容，请参阅科学人2012年第121期3月号】

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