克雷格·霍根認為世界是模糊的。這不是一個比喻。霍根是芝加哥大學的物理學家，也是位於伊利諾伊州巴達維亞附近的費米實驗室粒子天體物理中心主任。他認為，如果我們能夠深入觀察空間和時間的最小劃分，我們會發現一個充滿內在抖動的宇宙，那是繁忙的靜態噪音。這種噪音並非來自粒子的憑空產生和消失，也不是物理學家過去爭論過的其他型別的量子泡沫。相反，如果空間不像我們長期以來假設的那樣平滑和連續，不像舞動的場和粒子的光滑背景，霍根的噪音就會出現。如果空間是由塊狀物、方塊、位元組成的，霍根的噪音就會產生。霍根的噪音將暗示宇宙是數字化的。
在一個涼爽的早秋午後，霍根帶我去看他正在建造的機器，這臺機器旨在捕捉這種噪音。一個亮藍色的棚屋從費米實驗室園區的卡其色草原中拔地而起，這是這個近半個世紀歷史的設施中唯一的新建築跡象。一根拳頭粗的管道從棚屋延伸40米到一條長長的、垂直的地堡，那裡曾經是數十年來嚮明尼蘇達州北部發射亞原子粒子的光束的所在地。這個地堡已經被霍根稱之為“全息儀”的裝置重新利用，這個裝置旨在放大空間結構中的抖動。
他拿出一塊厚厚的粉筆，開始在天藍色棚屋的側面寫字，他即興的講座詳細介紹了雷射束如何在管道中反射，從而放大空間的精細結構。他首先解釋了20世紀最成功的兩個理論——量子力學和廣義相對論——是如何不可能被調和的。在最小的尺度上，兩者都崩潰成胡言亂語。然而，這個尺度似乎出於另一個原因而變得特殊：它恰好與資訊科學——宇宙的0和1——密切相關。在過去的幾十年裡，物理學家們發現了關於宇宙如何儲存資訊的深刻見解——甚至有人提出，資訊，而不是物質和能量，構成了存在的最基本單位。資訊搭載在微小的位元上；宇宙由此而來。
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霍根說，如果我們認真對待這種思路，我們應該能夠測量到空間的數字噪音。因此，他設計了一個實驗來探索宇宙最基本尺度上的嗡嗡聲。他會第一個告訴你，這可能不會成功——他可能什麼也看不到。他的努力是一項真正意義上的實驗——一次嘗試，一次對未知的探索。“你不能用經過充分檢驗的時空物理學和經過充分檢驗的量子力學來計算我們將看到什麼，”霍根說。“但對我來說，這就是做實驗的原因——進去看看。”
如果他真的看到了這種抖動呢？空間和時間就不是我們所認為的那樣了。“它改變了物理學的架構，”霍根說。
多年來，粒子物理學並沒有在這種探索性模型上運作。科學家們在20世紀60年代末和70年代初開發了一個理論和見解的網路，我們現在稱之為粒子物理學的標準模型。自那時以來的幾十年裡，實驗以越來越深入和精確的方式對其進行了檢驗。“模式一直是理論界提出了一個想法——例如，希格斯玻色子——你有一個模型。然後模型做出預測，實驗排除它或不排除它，”霍根說。理論先行，實驗後至。
這種保守主義的存在有一個非常好的理由：粒子物理實驗可能極其昂貴。位於日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）耗資約50億美元組裝，目前吸引了世界各地數千名物理學家的注意力。它是有史以來建造的最精密、最複雜和最精確的機器。科學家們公開質疑，下一代粒子對撞機——能量更高、規模更大、費用更高——是否會被證明過於雄心勃勃。人類可能根本拒絕為此買單。
LHC的一個典型實驗可能包括3000多名研究人員。在費米實驗室，霍根組建了一個由大約20人組成的鬆散團隊，其中包括麻省理工學院和密歇根大學的高階顧問，他們不參與該地點的日常工作。霍根主要是一名理論物理學家——對真空泵和固態雷射器的變幻莫測知之甚少——因此他邀請了實驗物理學家艾倫·周作為共同領導，他恰好在霍根提出他的提案的同時來到費米實驗室。2011年，他們獲得了200萬美元的資助，這筆錢在LHC只能買到一塊超導磁體和一杯咖啡。這筆錢將資助整個專案。“如果低技術能做到，我們就不會做任何高科技的事情，”霍根說。
這個實驗之所以如此廉價，是因為它基本上是對19世紀推翻了關於存在背景的既定智慧的著名實驗的更新。到19世紀初，物理學家們知道光表現得像波一樣。科學家們也瞭解波。從池塘中的漣漪到空氣中傳播的聲音，所有的波似乎都具有一些基本特徵。像雕塑一樣，波總是需要介質——波必須透過傳播的某種物理基質。由於光是一種波，人們認為，它也必須需要介質，一種滲透宇宙的不可見物質。科學家們稱這種隱藏的介質為以太。
1887年，阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷設計了一個實驗，旨在尋找這種以太。他們建立了一個干涉儀——一個呈L形的裝置，有兩個臂，經過最佳化以測量變化。單個光源發出的光將傳播兩個臂的長度，從末端的鏡子反射回來，然後在起點處重新組合。如果光傳播到任何一個臂所需的時間變化哪怕是幾微秒，重新組合的光就會變得更暗。邁克爾遜和莫雷架設了他們的干涉儀，並在地球繞太陽執行時監測了幾個月的光。根據地球的運動方向，靜止的以太應該會改變光在垂直臂上反射所需的時間。測量這種變化，你就找到了以太。
當然，實驗沒有發現任何這樣的東西，因此開始了對數百年曆史的宇宙學的破壞。然而，就像被大火摧毀的森林一樣，清除以太為革命性的新思想的蓬勃發展創造了可能。沒有以太，光以相同的速度傳播，無論你如何移動。幾十年後，阿爾伯特·愛因斯坦抓住了這一見解，推匯出了他的相對論。
霍根的干涉儀將尋找一個非常像以太的背景——一種不可見（也可能是虛構的）基質，它滲透著宇宙。透過使用兩個堆疊在一起的邁克爾遜干涉儀，他打算探測宇宙中最小的尺度，量子力學和相對論都在這個距離上崩潰——資訊以位元形式存在的區域。
普朗克尺度不僅僅是小——它是最小的。如果你把一個粒子限制在一個邊長小於一個普朗克長度的立方體內部，廣義相對論認為它的重量將超過同一大小的黑洞。但是量子力學定律說，任何小於普朗克長度的黑洞都必須具有小於單個能量量子的能量，這是不可能的。普朗克長度存在悖論。
然而，普朗克長度不僅僅是量子力學和相對論失效的空間。在過去的幾十年裡，關於黑洞本質的爭論揭示了對普朗克尺度的全新理解。我們最好的理論可能在那裡崩潰，但在它們的位置上，其他的東西出現了。這種思路認為，宇宙的本質是資訊，而產生宇宙的基本資訊位元存在於普朗克尺度上。
正如斯坦福大學物理學家倫納德·薩斯坎德在2011年的公開講座中所解釋的那樣，“資訊”是關於區分的。“區分永不消失，這是一個非常基本的物理學原理，”他說。“它們可能會被打亂或全部混在一起，但它們永遠不會消失。”即使這本雜誌在回收廠被溶解成紙漿，這些頁面上的資訊也將被重組，而不是消除。從理論上講，衰變是可以逆轉的——紙漿可以重建成文字和照片——即使在實踐中，這項任務似乎是不可能的。
物理學家們長期以來都同意這個原則，但在一個特殊情況下除外。如果這本雜誌被扔進黑洞會怎麼樣？畢竟，沒有任何東西可以從黑洞中逃逸出來。把這些頁面扔進黑洞，那個黑洞看起來幾乎和以前完全一樣——可能只是重了幾克。即使在斯蒂芬·霍金在1975年表明黑洞可以輻射出物質和能量（以我們現在稱之為霍金輻射的形式）之後，這種輻射似乎也沒有結構，只是宇宙中單調的嗚咽。因此，他得出結論，黑洞必須摧毀資訊。
霍金的許多同事，其中包括薩斯坎德和荷蘭烏得勒支大學的理論物理學家傑拉德·特·胡夫特，他後來在1999年獲得了諾貝爾獎，都認為這是無稽之談。“如果你為資訊丟失的概念開啟哪怕一絲一毫的門，我們所知道的一切的整個結構都會瓦解，”薩斯坎德說。
然而，霍金並沒有輕易被說服，因此在接下來的二十年裡，物理學家們發展出一種新的理論，可以解釋這種差異。這就是全息原理，它認為，當一個物體落入黑洞時，裡面的東西可能會丟失，但物體的資訊會以某種方式印在黑洞周圍的表面上。有了合適的工具，你就可以從理論上從黑洞中重建這本雜誌，就像你可以從回收廠的紙漿中重建一樣。黑洞的事件視界——不歸路——兼作賬本。資訊沒有丟失。
這個原理不僅僅是一個會計技巧。它暗示，雖然我們周圍看到的世界似乎發生在三個維度中，但關於它的所有資訊都儲存在只有兩個維度的表面上[參見《大眾科學》2003年8月刊雅各布·D·貝肯斯坦的《全息宇宙中的資訊》]。更重要的是，在給定的表面積上可以儲存的資訊量是有限制的。如果你把一個表面像棋盤一樣劃分，每個正方形的邊長為兩個普朗克長度，那麼資訊內容將始終小於正方形的數量。
在1999年和2000年的一系列論文中，現在在加州大學伯克利分校的拉斐爾·布索展示瞭如何將全息原理擴充套件到黑洞周圍的簡單表面之外。他想象一個物體被黑暗中彈出的閃光燈包圍。向內傳播的光定義了一個表面——一個以光速坍縮的氣泡。在這個二維表面——所謂的“光片”——上儲存著關於你（或流感病毒或超新星）的所有資訊。
根據全息原理，這張光片做了很多工作。它包含關於光片內每個粒子的位置、每個電子和夸克和中微子以及作用在它們身上的每個力的資訊。然而，將光片視為一塊膠片，被動地記錄世界上發生的真實事物是錯誤的。相反，光片是第一位的。它將包含在其表面上的資訊投射到世界中，創造了我們所看到的一切。在某些解釋中，光片不僅產生所有的力和粒子——它還產生了時空結構本身。“我相信時空是我們所說的湧現，”普林斯頓大學物理學家、特·胡夫特的前學生赫爾曼·費林德說。“它將從一堆0和1中產生。”
一個問題：雖然物理學家們大多同意全息原理是正確的——附近表面上的資訊包含關於世界的所有資訊——但他們不知道資訊是如何編碼的，也不知道自然是如何處理1和0的，也不知道處理的結果是如何產生世界的。他們懷疑宇宙像一臺計算機一樣運作——資訊變出我們感知到的物理現實——但現在那臺計算機是一個巨大的黑匣子。
最終，物理學家們對全息原理如此興奮的原因，他們花費數十年時間發展它的原因——除了說服霍金他錯了之外，當然——是因為它闡明瞭資訊、物質和引力之間深刻的聯絡。最終，全息原理可以揭示如何調和20世紀物理學的兩個非常成功但又相互不相容的支柱：量子力學和廣義相對論。“全息原理是通往量子引力的路標，”布索說，這個觀察結果指明瞭通往一個將取代我們當前對世界理解的理論的道路。“我們可能需要更多的路標。”
就在所有這些混亂之中，霍根出現了，他沒有宏大的萬物理論，只有他簡單的全息儀。但霍根不需要宏大的理論。他不必解決所有這些難題。他只需要弄清楚一個基本事實：宇宙是一個類似位元的世界，還是不是？如果他能做到這一點，他確實會產生一個路標——一個指向數字宇宙的巨大箭頭，物理學家們就會知道該往哪個方向走。
根據霍根的說法，在一個類似位元的世界中，空間本身是量子的——它從普朗克尺度的離散的、量子化的位元中湧現出來。如果是量子的，它就必然會遭受量子力學固有的不確定性。它不會靜止不動，成為宇宙的光滑背景。相反，量子漲落使空間變得粗糙和振動，從而使世界隨之移動。“德克薩斯A&M大學的天文學家尼古拉斯·B·桑特澤夫說，“宇宙不是這種經典的、透明的、晶體狀的以太，而是在非常非常小的尺度上，存在著這些小的泡沫狀漲落。它極大地改變了宇宙的紋理。”
訣竅是深入到時空泡沫的層面並測量它。在這裡，我們遇到了普朗克長度的問題。霍根的全息儀試圖繞過對普朗克長度的全面攻擊——普朗克長度是一個如此小的單位，以至於用傳統實驗（例如粒子加速器）測量它將需要建造一臺大約銀河系大小的機器。
早在邁克爾遜和莫雷研究（不存在的）以太時，他們的干涉儀透過比較兩束傳播了相當長距離的光束，測量了一個微小的變化——當地球繞太陽執行時光速的變化。實際上，那個距離放大了訊號。霍根的全息儀也是如此。他深入普朗克長度的策略是測量處理任何抖動的量子系統時累積的誤差。
“如果我看著我的電視機或我的電腦顯示器，一切看起來都很漂亮和流暢，”周說。“但如果你近距離觀察，你可以看到畫素。”時空也是如此。在我們人類感到舒適的水平——人、建築物和顯微鏡的尺度——空間似乎是這種平滑、連續的東西。我們從沒見過汽車在街上行駛，就像被上帝自己的頻閃燈照亮一樣，從一個地方瞬間跳到另一個地方。
然而，在霍根的全息世界中，這正是發生的事情。空間本身是離散的——或者，用我們這個時代的術語來說，“量子化”的[參見李·斯莫林在《大眾科學》2004年1月刊上的《空間和時間的原子》]。它從一些更深層的系統，一些我們尚不理解的基本量子系統中湧現出來。“這有點作弊，因為我沒有一個理論，”霍根說。“但這只是第一步。我可以對這些引力理論家說，‘你們去弄清楚它是如何運作的。’”
霍根的全息儀的設定與邁克爾遜和莫雷的干涉儀非常相似，如果邁克爾遜和莫雷可以使用微電子學和2瓦雷射器的話。雷射器照射到分束器上，分束器將光分成兩束。這些光束沿著L形干涉儀的兩個40米長的臂傳播，從兩端的鏡子反射回來，然後返回到分束器並重新組合。然而，霍根測量的不是地球穿過以太的運動，而是由於分束器在空間結構上晃動而導致路徑長度的任何變化。如果在普朗克尺度上，時空像洶湧的大海一樣翻騰，那麼分束器就是一艘在泡沫中顛簸的小艇。在雷射束在全息儀中來回傳播的時間裡，分束器將抖動足夠的普朗克長度，使其運動可以被檢測到。
當然，你可能會想到很多分束器可能會在這裡和那裡移動幾個普朗克長度的原因——例如，建築物外汽車發動機的隆隆聲，或者伊利諾伊州強勁的風搖晃地基。
這些擔憂一直困擾著另一個干涉測量專案背後的科學家，即位於路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德外的雙雷射干涉儀引力波天文臺（LIGO）探測器。這些大型實驗旨在觀測引力波——宇宙災難（如中子星碰撞）之後時空中的漣漪。不幸的是，對於LIGO科學家來說，引力波以與其他不太有趣的事物（例如，過往的卡車和倒下的樹木）相同的頻率晃動地面。因此，探測器必須完全隔離噪聲和振動。（擬議在漢福德設施附近的風力發電場引起了物理學家們的極大不安，因為僅僅是葉片的振動就會使探測器充滿噪音。）
霍根正在尋找的抖動發生得更快——一種每秒來回抖動一百萬次的振動。因此，它不受相同的噪聲問題的困擾——只有附近以相同頻率廣播的AM廣播電臺可能造成的干擾。“沒有任何東西以那個頻率移動，”芝加哥大學物理學家、LIGO資深人士、正在全息儀上工作的斯蒂芬·邁耶說。“如果我們發現它仍在移動，那將是我們確信無疑的跡象之一”，表明抖動是真實的。
在粒子物理學領域，確鑿的跡象可能很難獲得。“這在某種程度上是老式的，”霍根說。“它呼籲這種老式風格的物理學，即‘我們將去發現自然在做什麼，沒有任何偏見。’”為了說明這一點，他喜歡講一個關於相對論和量子力學起源的寓言。愛因斯坦坐在辦公桌前，從第一性原理推匯出數學，從而發明了廣義相對論。它解決的實驗難題很少——事實上，它的第一個真正的實驗驗證要過很多年才會到來。另一方面，量子力學是由實驗的令人困惑的結果強加給理論家的。（“除非資料迫使他這樣做，否則任何頭腦正常的理論家都不會發明量子力學，”霍根說。）然而，它已成為科學史上最成功的理論。
同樣，多年來，理論家們一直在構建美麗的理論，例如弦理論，儘管它如何或是否可以被檢驗仍然不清楚。霍根認為他的全息儀的目的是創造未來的理論家必須解釋的令人困惑的資料。“事情已經停滯很長時間了，”他說。“你如何打破僵局？有時它們會被一個實驗打破。”