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，也是費米實驗室粒子天體物理中心（位於伊利諾伊州巴達維亞附近）的主任。他認為，如果我們能向下窺視空間和時間的最小細分，我們會發現一個充滿內在抖動的宇宙，一種繁忙的靜電嗡嗡聲。這種嗡嗡聲不是來自粒子進進出出，也不是來自物理學家過去爭論過的其他種類的量子泡沫。相反，如果空間不像我們長期以來假設的那樣平滑和連續，不像場和粒子舞蹈的玻璃背景，霍根的噪聲就會出現。如果空間是由塊狀物、區塊、位元組成的，霍根的噪聲就會產生。霍根的噪聲將意味著宇宙是數字化的。
在一個微風習習的初秋午後，霍根帶我去看他正在建造的用來探測這種噪聲的機器。一座亮藍色的棚屋從費米實驗室園區的卡其色草原上升起，這是這個有45年曆史的設施中唯一的新建築跡象。一根拳頭寬的管道從棚屋延伸40米到一條長長的、垂直的掩體，那裡曾經是一束粒子束的家，幾十年來這束粒子束一直向北射向明尼蘇達州。這個掩體已經被霍根稱之為“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瞭如何用幾束雷射在管道中反射來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——是如何不可能調和的。在最小的尺度上，兩者都崩潰成了胡言亂語。然而，這個尺度似乎由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；宇宙就是從這些位元中產生的。
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霍根說，如果我們認真對待這種思路，我們就應該能夠測量空間的數字噪聲。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，這可能行不通——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會看到什麼，”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想的那樣了。“它改變了物理學的架構，”霍根說。
多年來，粒子物理學並沒有以這種探索性模型運作。科學家們在20世紀60年代末和70年代初花費了大量時間發展了一系列理論和見解，我們現在稱之為粒子物理學的標準模型。在隨後的幾十年裡，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，實驗排除或不排除它，”霍根說。理論先行，實驗隨後。
這種保守主義的存在有一個非常好的理由：粒子物理實驗可能非常昂貴。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）的組裝花費了約50億美元，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。科學家們公開懷疑，下一代粒子對撞機——能量更高、尺寸更大、費用更高——是否會證明過於雄心勃勃。人類可能 просто 拒絕為此付費。
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。霍根主要是一位理論物理學家——對真空泵和固態雷射器的變幻莫測很大程度上不熟悉——因此他邀請了實驗物理學家亞倫·周作為聯合負責人，他碰巧在霍根提出他的提案的同時來到了費米實驗室。去年夏天，他們獲得了200萬美元的資助，這筆錢在LHC只能買到一個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便宜，是因為它基本上是對一個實驗的更新，這個實驗如此著名地摧毀了19世紀關於存在背景的既定智慧。到19世紀初，物理學家們知道光表現得像波。科學家們也瞭解波。從池塘中的漣漪到在空氣中傳播的聲音，所有波似乎都具有一些基本特徵。像雕塑一樣，波總是需要介質——波必須透過的某種物理基質。由於光是一種波，因此人們認為，它也必須需要一種介質，一種滲透宇宙的無形物質。科學家們將這種隱藏的介質稱為以太。
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——一個形狀像L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。如果光線沿著任何一個臂傳播的時間即使改變了百萬分之一秒，重新組合的光線也會變暗。邁克爾遜和莫雷架設了他們的干涉儀，並在地球繞太陽運動的幾個月裡監測光線。根據地球運動的方向，靜止的以太應該會改變光線在垂直臂上反射的時間。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，從而開始了對一個數百年曆史的宇宙學的破壞。然而，就像被大火燒燬的森林一樣，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，無論你如何運動。幾十年後，阿爾伯特·愛因斯坦抓住這一洞見，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——一個無形的（也可能是虛構的）滲透宇宙的基質。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尺度上崩潰——資訊以位元形式存在的區域。
普朗克尺度不僅小——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，廣義相對論認為它的重量將超過同一大小的黑洞。但量子力學定律認為，任何小於普朗克長度的黑洞都必須具有小於一個能量量子的能量，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，另一種東西出現了。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。
“資訊意味著事物之間的區別，”斯坦福大學物理學家倫納德·薩斯坎德在去年夏天在紐約大學的一次講座中解釋說。“區分永不消失，這是一個非常基本的物理學原理。它們可能會被打亂或混淆，但它們永遠不會消失。”即使這份雜誌在回收廠被溶解成紙漿，這些頁面上的資訊也會被重組，而不是被消除。從理論上講，衰變是可以逆轉的——紙漿可以重建為文字和照片——即使實際上，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。如果這份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脫。把這些頁面扔進黑洞，那個黑洞看起來幾乎和以前一模一樣——可能只是重了幾克。即使在斯蒂芬·霍金在1975年證明黑洞可以以物質和能量的形式（以我們現在稱之為霍金輻射的形式）輻射出來之後，這種輻射似乎也缺乏結構，只是對宇宙發出的平淡的鳴叫。他得出結論，黑洞必須摧毀資訊。
霍金的一些同事，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（後來獲得了諾貝爾獎）反駁說：“胡說八道。”薩斯坎德解釋說：“如果你哪怕稍微開啟一點點資訊可能丟失的想法的大門，我們所知道的一切的整個結構都會瓦解。”
然而，霍金並沒有輕易被說服，因此在隨後的二十年中，物理學家們發展了一種新的理論，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，內部的東西可能會丟失，但物體的資訊以某種方式印在黑洞周圍的表面上。有了正確的工具，你就可以從理論上從黑洞中重建這份雜誌，就像你可以從回收廠的紙漿中重建一樣。黑洞的事件視界——不歸路點——兼作賬本。資訊不會丟失。
這個原理不僅僅是一個會計技巧。它意味著，雖然我們周圍看到的世界似乎發生在三維空間中，但關於它的一切資訊都儲存在只有二維的表面上[參見雅各布·D·貝肯斯坦的《全息宇宙中的資訊》，大眾科學，2003年8月]。更重要的是，給定表面積可以儲存的資訊量是有限制的。如果你像棋盤一樣分割一個表面，每個正方形的邊長為兩個普朗克長度，資訊內容將始終小於正方形的數量。
在1999年和2000年發表的一系列論文中，現在在加州大學伯克利分校的拉斐爾·布索展示瞭如何將這種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，這個光片做了很多工作。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的位置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上，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·胡夫特的學生赫爾曼·弗林德說。“它將從一堆0和1中湧現出來。”
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 conjures 起我們感知到的物理現實——但現在那臺計算機是一個大黑匣子。
最終，物理學家們如此興奮於全息原理的原因，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，全息原理可能會揭示如何調和20世紀物理學中兩個非常成功但又相互矛盾的支柱：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種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。”
在所有這些混亂中，霍根來了，他沒有宏大的萬物理論，只帶著他簡單的全息儀。但霍根不需要宏大的理論。他不必解決所有這些難題。他所要做的就是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，空間本身就是量子——它從普朗克尺度上的離散的、量子化的位元中湧現出來。如果是量子，它就必然會受到量子力學固有的不確定性的影響。它不會靜止不動，成為宇宙的平滑背景。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。“德克薩斯農工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，存在著這些微小的泡沫狀漲落。它極大地改變了宇宙的紋理。”
訣竅在於深入到這種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來測量一個微小的變化——當地球繞太陽運動時，光速的變化。實際上，這個距離放大了訊號。霍根的全息儀也是如此。他深入到普朗克長度的策略是測量在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電腦顯示器，一切看起來都很漂亮和平滑，”周說。“但是如果你近距離觀察它，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上——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時，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，用我們這個時代的說法，“量子化”[參見李·斯莫林的《空間和時間的原子》，大眾科學，2004年1月]。它從一些更深層的系統，一些我們尚不理解的根本量子系統中湧現出來。“這是一個小小的作弊，因為我沒有理論，”霍根說。“但這只是第一步。我可以對這些引力理論家說，‘你們這些人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設定非常相似，如果邁克爾遜和莫雷可以使用微電子學和兩瓦雷射器的話。一束雷射照射到一個分束器上，分束器將光線分成兩束。這兩束光束沿著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，然後返回分束器並重新組合。然而，霍根測量的不是地球在以太中運動，而是由於分束器在空間結構上受到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往返傳播的時間內，分束器將晃動足夠的普朗克長度，以使其運動被檢測到。
當然，你可能會想到很多原因導致分束器可能會在這裡和那裡移動幾個普朗克長度——例如，建築物外汽車發動機的隆隆聲，或者伊利諾伊州的強風搖晃地基。
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郊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——跟隨宇宙災難（如中子星碰撞）的時空漣漪。不幸的是，對於LIGO的科學家來說，引力波以與其他不太有趣的東西（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。（漢福德設施附近擬議的風力發電場引起了物理學家們的極大不安，因為僅葉片的振動就會使探測器充滿噪聲。）
霍根正在尋找的晃動發生得更快——一種每秒來回抖動一百萬次的振動。因此，它不受相同噪聲問題的困擾——僅可能受到附近以相同頻率廣播的調幅廣播電臺的干擾。“沒有任何東西以那個頻率移動，”芝加哥大學物理學家和LIGO資深人士斯蒂芬·邁耶說，他正在全息儀上工作。*“如果我們發現它無論如何都在移動，那將是我們認為抖動是真實的確定訊號之一。”
在粒子物理學界，確定的訊號可能很難獲得。“這在某種程度上是老式的，”霍根說。“它呼籲這種老式的物理學風格，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檢驗要過幾年才會到來。另一方面，量子力學是實驗的令人困惑的結果強加給理論家的。（“除非資料迫使，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，儘管它是否以及如何能夠被檢驗仍然不清楚。霍根認為他的全息儀的目的是創造未來的理論家將不得不解釋的令人困惑的資料。“事情已經停滯很長時間了，”他說。“你如何解開事情？有時它們會被實驗解開。”
*勘誤 (2/9/12)：這句話指出芝加哥大學物理學家斯蒂芬·邁耶是LIGO引力波探測器實驗的資深人士。這是不正確的；他的專業經驗是在宇宙微波背景輻射實驗方面。