本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
編者注：這篇文章最初於5月12日釋出在世界科學節網站上（最初發表）。
我父親特別喜歡把儘可能多的東西塞進儘可能小的空間裡。每當我們全家旅行時，他都會像拼3D拼圖一樣打包我們的行李箱，確保沒有浪費一寸空間——在我看來，這是一種值得稱讚的技能，因為我可以帶上我想要的所有玩具，他都能找到地方放。（行李很重，但那時是免費托執行李的時代。）後來，當我開車去我的第一套公寓時，他設法把一個家庭的所有東西都塞進了一輛兩門車裡。他總是否認你在特定體積內可以塞多少東西有限制。這只是一個關於聰明才智的問題。
唉，在今年世界科學節上“現實的薄片：宇宙如全息圖”活動中發言的理論物理學家們帶來了壞訊息：確實存在一個限制。如果你超過了這個限制，你的行李箱中的內容物所施加的引力將變得非常強烈，以至於行李箱會坍縮成一個黑洞，而你將永遠看不到你的東西。誠然，這個極限最終是相當寬容的。一架飛機上的滾輪式行李箱可以容納一個木星那樣高度壓縮的物質，而不會遇到黑洞的麻煩。（美國運輸安全管理局（TSA）是另一回事。）
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從本質上講，一個限制可能看起來並不令人驚訝。任何形式的父親的聰明才智都無法克服物質物體不可避免地佔用空間的事實；無論你如何擠壓，你都不能把它們壓縮到虛無。但是，關於最終的包裝限制奇怪的是，它取決於容器的大小。較大的容器可以容納的物質比小容器成比例地少。一輛兩門車，和兩個行李箱一樣寬，總共可以容納八個行李箱。如果我把每個行李箱都塞到它的極限，然後把它們全部塞進車裡，我就會超過車的整體極限，並失去所有東西。我最多隻能放兩個。這輛車承諾有如此多的額外空間，但當我試圖利用它時，大自然會阻止我。就好像空間是海市蜃樓一樣。
這種包裝限制是物理學家所稱的全息原理的一個方面，它類似於全息圖，就像我的舊車一樣，它給人一種深度的錯覺。當你把東西放在一起時會發生什麼，是當今物理學家最重要的思想實驗之一。當我在二月份去斯坦福大學與本次節日活動的參與者之一倫納德·蘇士侃聊天時，他告訴我：“我認為這是我們自不確定性原理以來學到的關於物理學的最激進的一課。”
之所以如此激進，是因為物質的密度應該只取決於每個單獨的物質碎片可以被壓縮到什麼程度。堆積多少碎片應該沒有任何區別。這不僅適用於密度，也適用於其他關鍵特性，例如每個物質碎片可以編碼多少資訊。整體只是其各部分的總和。這種直覺在現代物質理論中被形式化，稱為量子場論。但是形成黑洞的傾向意味著一個物質碎片能夠做什麼取決於所有其他碎片在做什麼。整體小於其各部分的總和。
物理學家們半個多世紀以來一直懷疑量子場論需要在極小的尺度上讓步，最終與現代物理學的另一個偉大支柱，即愛因斯坦的廣義相對論統一起來。這就是為什麼他們建造了大型粒子加速器，這些加速器充當強大的顯微鏡來放大亞原子以下的世界。但是，全息原理意味著量子場論也會在較大的尺度上失效。雖然地球上沒有哪個行李箱有坍縮成黑洞的風險，但隨著尺寸的增加，限制變得越來越緊迫。具有太陽系尺寸的物體，其密度最大值相當於液態水。宇宙中充滿了黑洞，這些黑洞是在自然過程試圖將太多物質過度緊密地堆積時形成的。期望量子場論在小尺度上失效是一回事，但在大尺度上理解它卻是另一回事。
全息原理還表明，空間並非它看起來的樣子。我指的不是外太空，宇航員和小行星的領域，而是我們周圍的空間，我們行李箱和汽車中的空間，以及分隔戀人離別的空間。空間正在對我們進行誘餌調包：它似乎有足夠的空間容納東西，但事實並非如此。全息原理是幾個線索之一，表明“空間”的概念是一個精心設計的幻象——或者更準確地說，它從更深層的無空間現實中湧現出來，就像生物體從無生命的物質中湧現出來一樣。
賦予無生命的化學物質混亂以生命的是這些部分如何組合在一起並協同工作。同樣，世界也可能會從其最基本成分的組合方式和協同工作方式中發展出空間結構。關於如何發生這種情況的最完善的理論被稱為“引力/規範對偶性”，它使用量子場論的概念來進行擬合和工作。引力最終是這個過程的副產品。一個含義是，諸如距離之類的空間概念是派生的。從某種更深層次的意義上考慮，看起來彼此相距很遠的物件實際上可能彼此重疊——這也許可以給世界上分離的戀人一些安慰。
這個小組彙集了蘇士侃和全息原理的另一位創始人、諾貝爾獎獲得者傑拉德·特·胡夫特，以及兩位將他們的工作推廣和闡述的物理學家，拉斐爾·布索和赫爾曼·維林德。
圖片：Flickr，Chispita_666