知人知面不知心.doc

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1、“知人知面不知心”？物理学家们可不这样认为~2016-06-04 中科院物理所作者：罗会仟（中科院物理所）俗话说：“知人知面不知心”，当你看到一个面容姣好的美女时，她的内心不一定就如外貌一样美丽。成为一个美女，可以靠化妆，可以靠拉皮，也可以靠魔法，就像美剧《权力的游戏》中卸掉魔法项链的梅丽珊卓一样，美女撕破脸皮，其下说不定就是皱纹沟壑的老巫婆一个(图1)。所以，人们直觉认为：看人不能看表面，美丽也可以是欺骗。果真如此？物理学告诉我们，这种直觉未必靠谱。仔细思考一下，我们虽然生活在一个三维的世界，然

2、而我们“看到”的东西，其实是三维物体反射到肉眼的光线感应。也就是说，人们能看到的东西，无非是物体表面光的反射而已。除非你有透视眼，否则你只能永远看到一个“表面”。看到一个绿皮圆圆的西瓜，要想知道里面怎么样，只能切开它才能看到红瓤，但是一旦切开，切面就成了新的“表面”。看到的红瓤，还是表面！有趣的是，西瓜的表面，其实反映了一个非常简单的事实——告诉你这是一个西瓜，它有甜甜的内在。所以，当你看见它的时候，才会有种想切开它吃掉里面红瓤的冲动！这告诉我们一个物理事实——“内涵”与“表面”是息息相关的。现代

3、物理学告诉我们一个很有意思的定理：任何N维体系内的现象，都可以在其N-1维的表面上体现出来。一句话，内涵都在表面上。为什么这么说呢？举个简单的例子，一池春水泛涟漪，说的是水里面能量的传播——水波，实际上是水体积在三维空间上有一个规律分布。然而，在其二维水面上的表现形式就是出现高低不平的振动，导致水面的曲率分布不再平坦。凝聚态物理的研究揭示了微观和宏观世界的联系——内涵决定了表面。最直接的证据就是我们看到许多晶体外形都有规则的形状，其根本原因，是因为它们内部原子有规则排列分布。比如金刚石，也即钻石，

4、就是碳原子的一种密堆结构，宏观上表现为锥形的透明体，是世界上最硬的材料(图2)。倘若改变物质内部原子的排布方式，将得到完全不同的外形，甚至截然不同物理性质。把碳原子按六角排列并层层堆砌起来，就是黑乎乎一块的石墨，作为铅笔芯的主要成分，非常容易剥离，和金刚石有着天壤之别。因此，如果我们了解透了物体的内涵，那么就可以预测它会有什么样的表面。反之，如果我们能够掌握物体表面的全部信息，那么就可以推出物体内部的大致情况。有趣的是，在相对论和引力的世界，内涵同样都在表面上。一个典型的例子就是黑洞熵。黑洞估计是

5、宇宙中最黑的家伙了，连光都逃不出它的魔掌，以至于我们要看见它的真身是不可能的，只能看到它周围的“事件视界”。物理学家霍金告诉我们，黑洞也是可以蒸发的，它可以自己发光，只不过它发的光在相对论原理下会发生无限红移，到远方的我们这时已经啥都看不见了。幸好的是，描述一个黑洞的信息，可以用黑洞熵。根据霍金的研究，黑洞熵和黑洞视界的表面积成正比(图3)。这个公式里，熵和视界表面积之间的比例系数，仅由几个物理学常数来组成，包括光速c、普朗克常数h、引力常数G、波尔兹曼常数k等，非常简洁而且意味深刻。因为一般常识

6、告诉我们，日常生活中一个三维物体的熵，表征的是它内部的有序度，当然应该和它的体积成正比，而不是表面积。但是，作为引力世界的奇点——黑洞有着与众不同的性质，它就偏偏喜欢做“表面文章”。这个公式告诉我们，黑洞熵问题预示着引力论、量子论、热力学之间存在一个非常简单和谐的关系，它们是有一个共同背景基础的。这个基础，物理学家认为很可能就是量子引力论，或称全息引力理论。量子引力论，是个什么鬼？我们知道，牛顿力学统一了天和地，认为天体运动和苹果落地都是一个原理在作祟——万有引力；麦克斯韦方程组统一了电与磁，告诉

7、我们电磁不分家，而且会共同振荡产生电磁波，我们肉眼可见的光就是一种普通的电磁波而已；量子力学统一了微观世界的粒子性和波动性，它们只需要用一个波函数和一个薛定谔方程就可以描述；狭义相对论统一了时间和空间，而广义相对论进一步统一了时空和引力，我们感受到的引力其实不过是时空的弯曲所致。然而，如何进一步统一引力论和量子论呢？物理学家花了很多年的时间，都摸不着头脑。诸如超弦理论、超对称理论等“超级”理论也在不断努力，尝试寻找突破口。近些年发展出的量子引力论，也许是一条可能的蹊径。思路很简单，既然N-1维的表

8、面可以找到N维的内涵信息，那么当N维表面的性质令人困惑不解的时候，何不构造一个N+1维的虚拟世界去描述这个N维的现实呢？我们希望理解的量子物理世界，是具有1023数量级的多体系统，各种相互作用非常复杂。然而，我们可以通过引入一个更高维度的引力场，它是非量子化的，用我们熟知的广义相对论来描述就足够了。把高维度的引力场内涵做一个简单的全息投影，就可以得到低一维度表面的量子多体物理，引力论和量子论就这样给完美结合起来了！只要选择合适，在新的世界就有可能更加容易寻找到我们要的答案。因为N+