克雷格·霍根认为世界是模糊的。这不是一个比喻。霍根是芝加哥大学的物理学家，也是费米实验室粒子天体物理中心（位于伊利诺伊州巴达维亚附近）的主任。他认为，如果我们能向下窥视空间和时间的最小细分，我们会发现一个充满内在抖动的宇宙，一种繁忙的静电嗡嗡声。这种嗡嗡声不是来自粒子进进出出，也不是来自物理学家过去争论过的其他种类的量子泡沫。相反，如果空间不像我们长期以来假设的那样平滑和连续，不像场和粒子舞蹈的玻璃背景，霍根的噪声就会出现。如果空间是由块状物、区块、比特组成的，霍根的噪声就会产生。霍根的噪声将意味着宇宙是数字化的。
在一个微风习习的初秋午后，霍根带我去看他正在建造的用来探测这种噪声的机器。一座亮蓝色的棚屋从费米实验室园区的卡其色草原上升起，这是这个有45年历史的设施中唯一的新建筑迹象。一根拳头宽的管道从棚屋延伸40米到一条长长的、垂直的掩体，那里曾经是一束粒子束的家，几十年来这束粒子束一直向北射向明尼苏达州。这个掩体已经被霍根称之为“全息仪”的装置重新利用，这个装置旨在放大空间结构中的抖动。
他拿出一块厚厚的粉笔，开始在天蓝色棚屋的侧面写字，他即兴的讲座详细介绍了如何用几束激光在管道中反射来放大空间的精细结构。他首先解释了20世纪最成功的两个理论——量子力学和广义相对论——是如何不可能调和的。在最小的尺度上，两者都崩溃成了胡言乱语。然而，这个尺度似乎由于另一个原因而变得特殊：它恰好与信息科学——宇宙的0和1——密切相关。在过去的几十年里，物理学家们发现了关于宇宙如何存储信息的深刻见解——甚至有人提出，信息，而不是物质和能量，构成了存在的最基本单位。信息搭载在微小的比特上；宇宙就是从这些比特中产生的。
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霍根说，如果我们认真对待这种思路，我们就应该能够测量空间的数字噪声。因此，他设计了一个实验来探索宇宙最基本尺度上的嗡嗡声。他会第一个告诉你，这可能行不通——他可能什么也看不到。他的努力是一项真正意义上的实验——一次尝试，一次对未知的探索。“你不能用经过充分检验的时空物理学和经过充分检验的量子力学来计算我们会看到什么，”霍根说。“但对我来说，这就是做实验的原因——进去看看。”
如果他真的看到了这种抖动呢？空间和时间就不是我们所想的那样了。“它改变了物理学的架构，”霍根说。
多年来，粒子物理学并没有以这种探索性模型运作。科学家们在20世纪60年代末和70年代初花费了大量时间发展了一系列理论和见解，我们现在称之为粒子物理学的标准模型。在随后的几十年里，实验以越来越深入和精确的方式对其进行了检验。“模式一直是理论界提出了一个想法——例如，希格斯玻色子——你有一个模型。然后模型做出预测，实验排除或不排除它，”霍根说。理论先行，实验随后。
这种保守主义的存在有一个非常好的理由：粒子物理实验可能非常昂贵。位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的组装花费了约50亿美元，目前吸引了世界各地数千名物理学家的注意力。它是有史以来建造的最精密、最复杂和最精确的机器。科学家们公开怀疑，下一代粒子对撞机——能量更高、尺寸更大、费用更高——是否会证明过于雄心勃勃。人类可能 просто 拒绝为此付费。
LHC的一个典型实验可能包括3000多名研究人员。在费米实验室，霍根组建了一个由大约20人组成的松散团队，其中包括麻省理工学院和密歇根大学的高级顾问，他们不参与该地点的日常工作。霍根主要是一位理论物理学家——对真空泵和固态激光器的变幻莫测很大程度上不熟悉——因此他邀请了实验物理学家亚伦·周作为联合负责人，他碰巧在霍根提出他的提案的同时来到了费米实验室。去年夏天，他们获得了200万美元的资助，这笔钱在LHC只能买到一个超导磁体和一杯咖啡。这笔钱将资助整个项目。“如果低技术能做到，我们就不会做任何高科技的事情，”霍根说。
这个实验之所以如此便宜，是因为它基本上是对一个实验的更新，这个实验如此著名地摧毁了19世纪关于存在背景的既定智慧。到19世纪初，物理学家们知道光表现得像波。科学家们也了解波。从池塘中的涟漪到在空气中传播的声音，所有波似乎都具有一些基本特征。像雕塑一样，波总是需要介质——波必须通过的某种物理基质。由于光是一种波，因此人们认为，它也必须需要一种介质，一种渗透宇宙的无形物质。科学家们将这种隐藏的介质称为以太。
1887年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷设计了一个实验，旨在寻找这种以太。他们建立了一个干涉仪——一个形状像L的装置，有两个臂，经过优化以测量变化。单个光源发出的光将传播两个臂的长度，从末端的镜子反射回来，然后在起点处重新组合。如果光线沿着任何一个臂传播的时间即使改变了百万分之一秒，重新组合的光线也会变暗。迈克尔逊和莫雷架设了他们的干涉仪，并在地球绕太阳运动的几个月里监测光线。根据地球运动的方向，静止的以太应该会改变光线在垂直臂上反射的时间。测量这种变化，你就找到了以太。
当然，实验没有发现任何这样的东西，从而开始了对一个数百年历史的宇宙学的破坏。然而，就像被大火烧毁的森林一样，清除以太为革命性的新思想的蓬勃发展创造了可能。没有以太，光以相同的速度传播，无论你如何运动。几十年后，阿尔伯特·爱因斯坦抓住这一洞见，推导出了他的相对论。
霍根的干涉仪将寻找一个非常像以太的背景——一个无形的（也可能是虚构的）渗透宇宙的基质。通过使用两个堆叠在一起的迈克尔逊干涉仪，他打算探测宇宙中最小的尺度，量子力学和相对论都在这个尺度上崩溃——信息以比特形式存在的区域。
普朗克尺度不仅小——它是最小的。如果你把一个粒子限制在一个边长小于一个普朗克长度的立方体内，广义相对论认为它的重量将超过同一大小的黑洞。但量子力学定律认为，任何小于普朗克长度的黑洞都必须具有小于一个能量量子的能量，这是不可能的。普朗克长度存在悖论。
然而，普朗克长度不仅仅是量子力学和相对论失效的空间。在过去的几十年里，关于黑洞本质的争论揭示了对普朗克尺度的全新理解。我们最好的理论可能在那里崩溃，但在它们的位置上，另一种东西出现了。这种思路认为，宇宙的本质是信息，而产生宇宙的基本信息比特存在于普朗克尺度上。
“信息意味着事物之间的区别，”斯坦福大学物理学家伦纳德·萨斯坎德在去年夏天在纽约大学的一次讲座中解释说。“区分永不消失，这是一个非常基本的物理学原理。它们可能会被打乱或混淆，但它们永远不会消失。”即使这份杂志在回收厂被溶解成纸浆，这些页面上的信息也会被重组，而不是被消除。从理论上讲，衰变是可以逆转的——纸浆可以重建为文字和照片——即使实际上，这项任务似乎是不可能的。
物理学家们长期以来都同意这个原则，但在一个特殊情况下除外。如果这份杂志被扔进黑洞会怎么样？毕竟，没有任何东西可以从黑洞中逃脱。把这些页面扔进黑洞，那个黑洞看起来几乎和以前一模一样——可能只是重了几克。即使在斯蒂芬·霍金在1975年证明黑洞可以以物质和能量的形式（以我们现在称之为霍金辐射的形式）辐射出来之后，这种辐射似乎也缺乏结构，只是对宇宙发出的平淡的鸣叫。他得出结论，黑洞必须摧毁信息。
霍金的一些同事，包括萨斯坎德和荷兰乌得勒支大学的理论物理学家杰拉德·特·胡夫特（后来获得了诺贝尔奖）反驳说：“胡说八道。”萨斯坎德解释说：“如果你哪怕稍微打开一点点信息可能丢失的想法的大门，我们所知道的一切的整个结构都会瓦解。”
然而，霍金并没有轻易被说服，因此在随后的二十年中，物理学家们发展了一种新的理论，可以解释这种差异。这就是全息原理，它认为当一个物体落入黑洞时，内部的东西可能会丢失，但物体的信息以某种方式印在黑洞周围的表面上。有了正确的工具，你就可以从理论上从黑洞中重建这份杂志，就像你可以从回收厂的纸浆中重建一样。黑洞的事件视界——不归路点——兼作账本。信息不会丢失。
这个原理不仅仅是一个会计技巧。它意味着，虽然我们周围看到的世界似乎发生在三维空间中，但关于它的一切信息都存储在只有二维的表面上[参见雅各布·D·贝肯斯坦的《全息宇宙中的信息》，大众科学，2003年8月]。更重要的是，给定表面积可以存储的信息量是有限制的。如果你像棋盘一样分割一个表面，每个正方形的边长为两个普朗克长度，信息内容将始终小于正方形的数量。
在1999年和2000年发表的一系列论文中，现在在加州大学伯克利分校的拉斐尔·布索展示了如何将这种全息原理扩展到黑洞周围的简单表面之外。他想象一个物体被黑暗中弹出的闪光灯包围。向内传播的光定义了一个表面——一个以光速坍缩的气泡。在这个二维表面——所谓的“光片”——上，存储着关于你（或流感病毒或超新星）的所有信息。
根据全息原理，这个光片做了很多工作。它包含关于光片内每个粒子的位置、每个电子和夸克和中微子的位置以及作用在它们身上的每个力的信息。然而，将光片视为一块胶片，被动地记录世界上发生的真实事物是错误的。相反，光片是第一位的。它将包含在其表面上的信息投射到世界上，创造了我们所看到的一切。在某些解释中，光片不仅产生所有的力和粒子——它还产生了时空结构本身。“我相信时空是我们所说的涌现，”普林斯顿大学物理学家、特·胡夫特的学生赫尔曼·弗林德说。“它将从一堆0和1中涌现出来。”
一个问题：虽然物理学家们大多同意全息原理是正确的——附近表面上的信息包含关于世界的所有信息——但他们不知道信息是如何编码的，也不知道自然是如何处理1和0的，也不知道处理结果是如何产生世界的。他们怀疑宇宙像一台计算机一样运作——信息 conjures 起我们感知到的物理现实——但现在那台计算机是一个大黑匣子。
最终，物理学家们如此兴奋于全息原理的原因，他们花费数十年时间发展它的原因——除了说服霍金他错了之外，当然——是因为它阐明了信息、物质和引力之间深刻的联系。最终，全息原理可能会揭示如何调和20世纪物理学中两个非常成功但又相互矛盾的支柱：量子力学和广义相对论。“全息原理是通往量子引力的路标，”布索说，这个观察结果指明了通往一种将取代我们当前对世界理解的理论的道路。“我们可能需要更多的路标。”
在所有这些混乱中，霍根来了，他没有宏大的万物理论，只带着他简单的全息仪。但霍根不需要宏大的理论。他不必解决所有这些难题。他所要做的就是弄清楚一个基本事实：宇宙是一个类似比特的世界，还是不是？如果他能做到这一点，他确实会产生一个路标——一个指向数字宇宙的巨大箭头，物理学家们就会知道该往哪个方向走。
根据霍根的说法，在一个类似比特的世界中，空间本身就是量子——它从普朗克尺度上的离散的、量子化的比特中涌现出来。如果是量子，它就必然会受到量子力学固有的不确定性的影响。它不会静止不动，成为宇宙的平滑背景。相反，量子涨落使空间变得粗糙和振动，从而使世界随之移动。“德克萨斯农工大学的天文学家尼古拉斯·B·桑特泽夫说：“宇宙不是这种经典的、透明的、晶体状的以太，而是在非常非常小的尺度上，存在着这些微小的泡沫状涨落。它极大地改变了宇宙的纹理。”
诀窍在于深入到这种时空泡沫的层面并测量它。在这里，我们遇到了普朗克长度的问题。霍根的全息仪试图绕过对普朗克长度的全面攻击——普朗克长度是一个如此小的单位，以至于用传统实验（例如粒子加速器）测量它将需要建造一台大约银河系大小的机器。
早在迈克尔逊和莫雷研究（不存在的）以太时，他们的干涉仪通过比较两束传播了相当长距离的光束来测量一个微小的变化——当地球绕太阳运动时，光速的变化。实际上，这个距离放大了信号。霍根的全息仪也是如此。他深入到普朗克长度的策略是测量在处理任何抖动的量子系统时累积的误差。
“如果我看着我的电视机或电脑显示器，一切看起来都很漂亮和平滑，”周说。“但是如果你近距离观察它，你可以看到像素。”时空也是如此。在我们人类感到舒适的水平上——人、建筑物和显微镜的尺度——空间似乎是这种平滑、连续的东西。我们从没见过汽车在街上行驶时，像被上帝自己的频闪灯照亮一样，从一个地方瞬间跳到另一个地方。
然而，在霍根的全息世界中，这正是发生的事情。空间本身是离散的——或者，用我们这个时代的说法，“量子化”[参见李·斯莫林的《空间和时间的原子》，大众科学，2004年1月]。它从一些更深层的系统，一些我们尚不理解的根本量子系统中涌现出来。“这是一个小小的作弊，因为我没有理论，”霍根说。“但这只是第一步。我可以对这些引力理论家说，‘你们这些人弄清楚它是如何运作的。’”
霍根的全息仪的设置与迈克尔逊和莫雷的设置非常相似，如果迈克尔逊和莫雷可以使用微电子学和两瓦激光器的话。一束激光照射到一个分束器上，分束器将光线分成两束。这两束光束沿着L形干涉仪的两个40米长的臂传播，从两端的镜子反射回来，然后返回分束器并重新组合。然而，霍根测量的不是地球在以太中运动，而是由于分束器在空间结构上受到晃动而导致路径长度的任何变化。如果在普朗克尺度上，时空像汹涌的大海一样翻腾，那么分束器就是一艘在泡沫中颠簸的小艇。在激光束在全息仪中往返传播的时间内，分束器将晃动足够的普朗克长度，以使其运动被检测到。
当然，你可能会想到很多原因导致分束器可能会在这里和那里移动几个普朗克长度——例如，建筑物外汽车发动机的隆隆声，或者伊利诺伊州的强风摇晃地基。
这些担忧一直困扰着另一个干涉测量项目背后的科学家，即位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德郊外的双激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测器。这些大型实验旨在观测引力波——跟随宇宙灾难（如中子星碰撞）的时空涟漪。不幸的是，对于LIGO的科学家来说，引力波以与其他不太有趣的东西（例如过往的卡车和倒下的树木）相同的频率晃动地面。因此，探测器必须完全隔离噪声和振动。（汉福德设施附近拟议的风力发电场引起了物理学家们的极大不安，因为仅叶片的振动就会使探测器充满噪声。）
霍根正在寻找的晃动发生得更快——一种每秒来回抖动一百万次的振动。因此，它不受相同噪声问题的困扰——仅可能受到附近以相同频率广播的调幅广播电台的干扰。“没有任何东西以那个频率移动，”芝加哥大学物理学家和LIGO资深人士斯蒂芬·迈耶说，他正在全息仪上工作。*“如果我们发现它无论如何都在移动，那将是我们认为抖动是真实的确定信号之一。”
在粒子物理学界，确定的信号可能很难获得。“这在某种程度上是老式的，”霍根说。“它呼吁这种老式的物理学风格，即‘我们将去发现自然在做什么，没有任何偏见。’”为了说明这一点，他喜欢讲一个关于相对论和量子力学起源的寓言。爱因斯坦坐在办公桌前，从第一原理推导出数学，从而发明了广义相对论。它解决的实验难题很少——事实上，它的第一个真正的实验检验要过几年才会到来。另一方面，量子力学是实验的令人困惑的结果强加给理论家的。（“除非数据迫使，否则任何头脑正常的理论家都不会发明量子力学，”霍根说。）然而，它已成为科学史上最成功的理论。
同样，多年来，理论家们一直在构建美丽的理论，例如弦理论，尽管它是否以及如何能够被检验仍然不清楚。霍根认为他的全息仪的目的是创造未来的理论家将不得不解释的令人困惑的数据。“事情已经停滞很长时间了，”他说。“你如何解开事情？有时它们会被实验解开。”
*勘误 (2/9/12)：这句话指出芝加哥大学物理学家斯蒂芬·迈耶是LIGO引力波探测器实验的资深人士。这是不正确的；他的专业经验是在宇宙微波背景辐射实验方面。