本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
编者注：这篇文章最初于5月12日发布在世界科学节网站上（最初发表）。
我父亲特别喜欢把尽可能多的东西塞进尽可能小的空间里。每当我们全家旅行时，他都会像拼3D拼图一样打包我们的行李箱，确保没有浪费一寸空间——在我看来，这是一种值得称赞的技能，因为我可以带上我想要的所有玩具，他都能找到地方放。（行李很重，但那时是免费托运行李的时代。）后来，当我开车去我的第一套公寓时，他设法把一个家庭的所有东西都塞进了一辆两门车里。他总是否认你在特定体积内可以塞多少东西有限制。这只是一个关于聪明才智的问题。
唉，在今年世界科学节上“现实的薄片：宇宙如全息图”活动中发言的理论物理学家们带来了坏消息：确实存在一个限制。如果你超过了这个限制，你的行李箱中的内容物所施加的引力将变得非常强烈，以至于行李箱会坍缩成一个黑洞，而你将永远看不到你的东西。诚然，这个极限最终是相当宽容的。一架飞机上的滚轮式行李箱可以容纳一个木星那样高度压缩的物质，而不会遇到黑洞的麻烦。（美国运输安全管理局（TSA）是另一回事。）
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从本质上讲，一个限制可能看起来并不令人惊讶。任何形式的父亲的聪明才智都无法克服物质物体不可避免地占用空间的事实；无论你如何挤压，你都不能把它们压缩到虚无。但是，关于最终的包装限制奇怪的是，它取决于容器的大小。较大的容器可以容纳的物质比小容器成比例地少。一辆两门车，和两个行李箱一样宽，总共可以容纳八个行李箱。如果我把每个行李箱都塞到它的极限，然后把它们全部塞进车里，我就会超过车的整体极限，并失去所有东西。我最多只能放两个。这辆车承诺有如此多的额外空间，但当我试图利用它时，大自然会阻止我。就好像空间是海市蜃楼一样。
这种包装限制是物理学家所称的全息原理的一个方面，它类似于全息图，就像我的旧车一样，它给人一种深度的错觉。当你把东西放在一起时会发生什么，是当今物理学家最重要的思想实验之一。当我在二月份去斯坦福大学与本次节日活动的参与者之一伦纳德·苏士侃聊天时，他告诉我：“我认为这是我们自不确定性原理以来学到的关于物理学的最激进的一课。”
之所以如此激进，是因为物质的密度应该只取决于每个单独的物质碎片可以被压缩到什么程度。堆积多少碎片应该没有任何区别。这不仅适用于密度，也适用于其他关键特性，例如每个物质碎片可以编码多少信息。整体只是其各部分的总和。这种直觉在现代物质理论中被形式化，称为量子场论。但是形成黑洞的倾向意味着一个物质碎片能够做什么取决于所有其他碎片在做什么。整体小于其各部分的总和。
物理学家们半个多世纪以来一直怀疑量子场论需要在极小的尺度上让步，最终与现代物理学的另一个伟大支柱，即爱因斯坦的广义相对论统一起来。这就是为什么他们建造了大型粒子加速器，这些加速器充当强大的显微镜来放大亚原子以下的世界。但是，全息原理意味着量子场论也会在较大的尺度上失效。虽然地球上没有哪个行李箱有坍缩成黑洞的风险，但随着尺寸的增加，限制变得越来越紧迫。具有太阳系尺寸的物体，其密度最大值相当于液态水。宇宙中充满了黑洞，这些黑洞是在自然过程试图将太多物质过度紧密地堆积时形成的。期望量子场论在小尺度上失效是一回事，但在大尺度上理解它却是另一回事。
全息原理还表明，空间并非它看起来的样子。我指的不是外太空，宇航员和小行星的领域，而是我们周围的空间，我们行李箱和汽车中的空间，以及分隔恋人离别的空间。空间正在对我们进行诱饵调包：它似乎有足够的空间容纳东西，但事实并非如此。全息原理是几个线索之一，表明“空间”的概念是一个精心设计的幻象——或者更准确地说，它从更深层的无空间现实中涌现出来，就像生物体从无生命的物质中涌现出来一样。
赋予无生命的化学物质混乱以生命的是这些部分如何组合在一起并协同工作。同样，世界也可能会从其最基本成分的组合方式和协同工作方式中发展出空间结构。关于如何发生这种情况的最完善的理论被称为“引力/规范对偶性”，它使用量子场论的概念来进行拟合和工作。引力最终是这个过程的副产品。一个含义是，诸如距离之类的空间概念是派生的。从某种更深层次的意义上考虑，看起来彼此相距很远的对象实际上可能彼此重叠——这也许可以给世界上分离的恋人一些安慰。
这个小组汇集了苏士侃和全息原理的另一位创始人、诺贝尔奖获得者杰拉德·特·胡夫特，以及两位将他们的工作推广和阐述的物理学家，拉斐尔·布索和赫尔曼·维林德。
图片：Flickr，Chispita_666