我们的宇宙如何以全息图的形式出现

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T物理学家普遍认为空间和时间的结构是突现的，用量子线织成的根据未知的模式。22年来，他们一直有一个新兴时空如何运作的玩具模型：理论上的“瓶子里的宇宙”，作为它的发现者，Juan Maldacena，描述了它。

填充瓶子内部区域的时空——一个弯曲和波动的连续体，产生了引力——精确地映射到生活在瓶子坚硬的无重力表面上的量子粒子网络。内部“宇宙”像全息图一样从低维度边界系统投射出来。马尔达塞纳对全息图的发现为物理学家提供了一个量子引力理论的有效例子。

但这并不一定意味着玩具宇宙展示了时空和引力是如何在我们的宇宙中出现的。瓶子的内部是一个动态的、埃舍尔式的地方，称为反德西特(AdS)空间，像马鞍一样负弯曲。马鞍上不同的方向以相反的方式弯曲，一个方向向上弯曲，另一个方向向下弯曲。当你离开中心时，曲线趋于垂直，最终给AdS空间一个外部边界——一个量子粒子可以相互作用，在内部创造全息宇宙的表面。然而，在现实中，我们居住在一个正向弯曲的“德西特(dS)空间”，它类似于一个无限膨胀的球体表面。

自从1997年，马尔达塞纳发现广告/钢管对应-AdS空间和描述该空间边界上量子相互作用的“共形场理论”之间的二元性物理学家们寻求一种类似的描述像我们这样没有被封闭的时空区域的方法。我们宇宙的唯一“边界”是无限的未来。但是，从生活在无限未来的量子粒子投射全息图的概念上的困难长期以来阻碍了用全息图描述真实时空的努力。

“我相信德西特全息术也可以作为一种量子纠错码，我非常想了解它是如何工作的。”

不过，在去年，三位物理学家在德西特空间全息图的研究上取得了进展。和AdS/CFT的通信一样，他们的也是一个玩具模型，但其构建的一些原则可能会扩展到更真实的时空全息图。有“诱人的证据”，说席冬加利福尼亚大学领导这项研究的Santa Barbara认为，新模型是一个“de Stter空间中的量子引力统一框架”。

盾和合作者伊娃·西尔弗斯坦斯坦福大学和阿根廷巴里洛切原子中心的冈萨洛·托罗巴构建了dS空间的全息图通过将两个AdS宇宙切割、扭曲并将它们的边界粘合在一起。

切割是为了处理一个有问题的无限:AdS空间的边界离它的中心有无限远的事实。(想象一下，一束光沿着马鞍的曲线无限延伸到达马鞍边缘。)Dong和合作者通过截断大半径的时空区域，使AdS空间变得有限。这就创造了所谓的“兰德尔-桑德拉姆喉咙”，以发明这个把戏的物理学家丽莎·兰德尔和拉曼·桑德拉姆命名。这个空间仍然由边界上的CFT近似，但边界现在是一个有限的距离。

接下来，Dong和他的合著者将弦论的成分添加到两个理论上的Randall Sundrum喉部，使其充满活力，并使其具有正曲率。这一过程被称为“提升”，将两个马鞍形的广告空间转变为碗形的dS空间。物理学家们可以做一件显而易见的事情：“把两个碗沿边缘粘在一起”。描述两个半球的CFT相互耦合，形成一个与整个球形德西特空间全息对偶的单量子系统。

“结果的时空没有边界，但通过构建，它是两个CFTs的双元，”董说。由于德西特空间的赤道，即两个cft居住的地方，本身就是一个德西特空间，这种结构被称为“dS/dS对应”。

西尔弗斯坦提出了这一基本思路但新的理论工具使她、Dong和Torroba能够更详细地研究dS/dS全息图，并表明它通过了重要的一致性检查。在去年夏天发表的一篇论文，他们计算出纠缠熵（一种衡量生活在赤道上的耦合CFT中存储了多少信息的方法）与de Sitter空间相应球形区域的已知熵公式相匹配。

他们和其他研究人员正在利用计算机科学的工具进一步探索德西特全息图。正如我在最近的一篇文章中描述量子文章在过去的几年里，物理学家们发现AdS/CFT通信的工作原理与“量子纠错码”一模一样——这是一种在紧张不安的量子系统中安全编码信息的方案，无论是量子计算机还是CFT。量子误差修正可能是时空结构如何实现其坚固性的原因，尽管它是由脆弱的量子粒子编织而成。

Dong是发现AdS/CFT和量子纠错之间联系的团队成员之一，他说:“我相信德西特全息术也可以作为量子纠错代码，我非常想知道它是如何工作的。”要证明德西特时空的新观点是正确的，几乎没有实验证据的希望，但董说，“如果碎片开始拼凑在一起，你本能地知道你在正确的轨道上。”

斯坦福大学的理论物理学家和计算机科学家帕特里克·海登(Patrick Hayden)研究AdS/CFT通信及其与量子误差校正的关系，他说，他和其他专家正在仔细研究Dong、Silverstein和Torroba的dS/dS模型。他说，关于时空如何编织以及量子引力如何在AdS空间中发挥作用的见解能否应用到德西特模型上，现在下结论还为时过早。海登说:“但是有一条路可以走。”“你可以提出具体的数学问题。我认为在接下来的几年里会发生很多事情。”

Natalie Wolchover是量子涵盖自然科学的杂志。此前，她曾为科普，《生活科学》和其他出版物。她拥有塔夫茨大学的物理学学士学位，在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)攻读研究生级物理学，并与人合著了几篇非线性光学方面的学术论文。她的作品被刊登在杂志上2015年最佳数学写作奖．她是2016年卓越统计报告奖、2016年Evert Clark/Seth Payne奖和2017年美国物理学会科学传播文章奖的获得者。