如果每一个遍及空间的能量场都被认为是一个池塘的表面，而波浪和粒子就是那个表面上的湍流，那么新的证据就加强了一个论点，即一个充满活力的、隐藏的世界就在这个表面之下。
几十年来，亚原子世界的表面描述足以对大多数物理现象进行精确的计算。但最近，一种与已知量子力学方法难以描述的奇特物质吸引了物理学家们深入海底。
“我成长为一名物理学家，就生活在那片平地上，那个二维空间里，”研究这些奇怪物质形式的哈佛大学物理学教授苏比尔萨赫德夫说。现在，有一个全新的维度需要探索，他说，“你可以把这些粒子想象成仅仅停留在那个表面上。”
在所有奇怪的物质形式中，铜酸盐可能是最奇怪的。铜酸盐是一种含有铜的金属，具有高温超导性。加州大学圣巴巴拉分校的物理学家们探索了更深层次的现象，他们声称这些现象与铜酸盐令人费解的“表层”行为有关。通过把计算重点放在潜在的环境上，研究人员推导出了一个铜酸盐导电性的公式，而之前只有在实验中才知道这个公式。
“令人惊奇的是，你从这个理论开始，你就得到了这些奇怪超导体的导电性，”没有参与这项研究的萨奇德夫说。
荷兰莱顿大学的理论物理学家扎南说，研究结果支持了这样一个证据，即这种观察大自然构成要素的新方法是真实的，而且“非常真实”。
更重要的是，这些结果可以被看作是弦理论的一种不寻常的间接证据弦理论是一个有40年历史的框架，它将量子力学和重力编织在一起，在数学上优雅而深刻地解释了弦理论。
暗物质被认为占宇宙质量的84%。随着人们对暗物质性质的疑问日益逼近，以及对“万物理论”的探索，研究人员表示，这些发现可能会产生广泛的影响。
扎南说:“在未来几年里，我们有可能在基础物理领域取得巨大进展。”“它移动得非常非常快。”
表面之下
如果波和粒子就像池塘表面的湍流，那么这种湍流和池塘内部事件之间的联系最早是由1997年发现的一个数学原理描述的。在一篇具有里程碑意义的论文中，阿根廷裔美国物理学家胡安马尔达塞纳写道，表明在三维空间中发生的事件在数学上对应于该区域二维边界上发生的非常不同的事件。(4-D中的事件也对应于3-D中的事件，5-D对应于4-D中的事件，以此类推。)
考虑隐喻池的三维内部和二维表面。为了使对应关系起作用，内部必须用弦理论进行数学描述，在弦理论中，电子、光子、引力子和自然界的其他组成部分都是看不见的小一维线，或“弦”。“质量和其他宏观特性与弦的振动相对应，不同物质和力之间的相互作用来自弦的分裂和连接方式。这些弦住在池塘里。
现在，假设池塘的二维表面是由量子力学描述的。粒子是表面上的溅起的水花，而波是这些溅起水花的涟漪的级联。在这个假想的池塘表面，没有重力。
胡安马尔达塞纳于1997年发现了全息二象性，该理论认为，空间中包含重力且由弦理论描述的事件，在数学上等同于该区域表面包含粒子且无重力的事件。
马尔达塞纳的发现，被称为全息二象性，表明内部区域的事件，包括引力，由弦理论描述，在数学上可以转化为表面上的事件，是无引力的，由量子粒子理论描述。
马尔达塞纳说:“要理解这种关系，关键的一点是，当引力理论易于分析时，边界上的粒子或者用池塘的比喻，表面上的粒子就会相互作用非常强烈。”反之亦然:当粒子表面平静时，就像它们在大多数物质中一样，那么池塘内部的情况就极其复杂。
这种对比使得对偶性很有用。
含有铜酸盐的奇异物质属于第一类;实验表明，这些材料中的粒子相互作用非常强烈，以至于失去了它们的个性。物理学家说，这些粒子是“紧密相关的”。“每个重叠点对应的波纹如此之大，以至于人们相信会发生一种群体效应。斯坦福大学(Stanford University)物理学教授肖恩哈特诺尔说，与强相关的物质可能会以不同的、意想不到的方式表现，这是用已知的量子力学方法难以描述的，有时甚至是无法描述的。“你需要一种不同的方式来看待它们，而不是从单一的粒子描述开始，”他说。“你不会试图用单个的水分子来解释海洋。”
如果强烈相关的物质被认为是“生活”在池塘的二维表面上，全息二元性表明，该表面上的极端湍流在数学上等同于内部的静水。物理学家可以通过研究下面这种平行但简单得多的情况来了解地表的行为。“你可以在那个宁静的世界里计算东西，”扎南说。
用全息二象性的数学术语来说，二维中某些紧密相关的物质在三维中相当于一个黑洞一个密度无限的物体，具有无法逃脱的引力，这在数学上很简单。“这些非常复杂的量子力学集体效应被黑洞物理学完美地捕捉到了，”麻省理工学院物理学副教授刘虹说。“对于高度相关的系统，如果你把一个电子放进系统，它会立刻‘消失’你再也无法追踪它。“这就像一个物体掉进了黑洞。
超导模型
越来越多的在过去的十年中,研究强烈相关的黑洞等价物形式的物质已经取得了突破性的结果,比如新方程强烈相互作用的流体的粘度和更好的掌握夸克和胶子之间的相互作用,这是粒子原子的原子核中找到。
加州大学圣巴巴拉分校物理学教授加里霍洛维茨(右)和霍洛维茨团队的博士后研究员豪尔赫桑托斯将一种名为铜的奇怪物质建模为高维空间中形状奇特的黑洞。
现在，加州大学圣巴巴拉分校的弦理论家加里霍洛维茨和霍洛维茨团队的博士后研究员豪尔赫桑托斯将全息二元性应用于铜酸盐。他们通过研究金属在三维空间中的对应物带电的、形状奇特的黑洞的相关特性，推导出了金属导电率的公式。
这项工作需要高超的数字技巧。在铜酸盐中，一群紧密相关的电子在固定的原子晶格中运动。因此，用全息二象性对金属进行建模，需要在相应的黑洞结构中加入晶格的等价物，使其具有波纹状的外表面或视界。
扎南说:“当涉及到与黑洞打球时，你需要加里(霍洛维茨)。
为了确定铜酸盐的电导率公式，霍洛维茨和桑托斯必须研究光如何与黑洞复杂的视界相互作用。这些方程太难解了，所以他们用计算机求出了近似解。2012年7月，剑桥大学物理学教授David Tong与人合著了一篇论文，发表在《高能物理学杂志》上。在他们的第一篇论文中，他们推导出了一个公式，该公式与铜在交流电作用下的高温电导率相匹配。在新的研究中，他们将计算范围扩展到铜的超导或无电阻导电的温度范围，并再次发现与实际铜的实验测量结果非常吻合。
霍洛维茨说:“这样一个简单的重力模型能够再现真实物质的任何特征，这让我感到惊讶。”“因此，这鼓励我们更加努力地思考。”
霍洛维茨和桑托斯模型的准确性在一些重要的情况下会出现问题，比如对于频率极高的交流电，但萨赫德夫表示，考虑到波纹黑洞模型是多么简单，“它的工作效果再好不过了。”他说，在黑洞结构中加入更多铜酸盐的微观细节，可能会加深它们的一致性。
Hartnoll最近使用全息二象性来模拟强相关材料中的金属-绝缘体跃迁，他希望通过精确地解出Horowitz和Santos的方程来建立这个结果。“它们有输入和输出;我们希望对它进行解压，了解其中的关键步骤，”他说。这样做将揭示出导电性公式在黑洞环境中的起源，从而对铜酸盐内部的相应作用力提供更多的了解。
一个新的二元性
了解铜酸盐的物理性质可能具有重要的实际应用。大多数金属在接近绝对零度时开始超导。但是，由于一些尚未完全了解的原因，铜在更容易接近的温度下表现出超导性，这使得它们对从大功率电缆到船舶推进电机等各种设备都很有用。然而，铜酸盐易碎且价格昂贵，通过调整其性能设计出更好的铜酸盐版本，可能会导致一系列技术的显著改进，从磁悬浮车辆和其他设备，到更高效的电网。
基础物理学的发展也有潜力。如果全息二象性对铜酸盐和其他强相关物质的行为产生越来越准确的预测，这些物质本质上可以被认为是更高维度的黑洞。
霍洛维茨说:“如果我们有一个模型，它能再现一种物质的所有特征，那么它就可以被看作是一种理论，一种非常不寻常的理论，但是考虑到它的对偶性，它就相当于你在边界上产生的任何理论，包括通常的粒子。”“这可能会简单得多。”
计算机渲染的黑洞表面，或称视界，在新的研究中被用作一种叫做铜酸盐的材料模型。水平面上的波动与铜原子内部的周期晶格相对应。全息二象性与导致量子力学发展的波粒二象性相呼应。在20世纪初，光，以前被认为是一种波，在一些实验中似乎令人困惑，除非它被视为粒子，而电子，被认为是粒子，有时没有意义，除非它们被认为是波。霍洛维茨说:“波粒二象性最初被提出时是一个巨大的惊喜，因为这是两个看起来不同的概念，而我们知道它们是一样的东西。”全息的二元性“更复杂，但它有同样的特征，”他说。“你有两个看起来非常不同的物体，结果却完全相同。”
但是全息二元性如何影响我们对自然的理解呢?池塘类比中的一维弦是真实的吗?物理学家说，不一定。事实上，在Horowitz和Santos计算作为铜酸盐模型的黑洞的性质时，弦从未被考虑进去。但是这些发现确实给了物理学家一种感觉，“所有这些我们认为不同的理论实际上都是相关的，”马尔达塞纳说。“这表明弦理论与物理学的其他部分并不是分离的。”
接受本文采访的物理学家们表示，弦理论可能是解决现实某些方面问题的最佳数学语言。
“物理学传统上是还原论者;它想要找出一些复杂的东西，并找出构建模块是什么，”哈特诺尔解释道。“关键是，没有一种独特的方法可以做到这一点:在某些情况下，电子可能是积木，但在另一些情况下，电子的集体激发态比任何单个电子都发挥着更基本的作用。”
他说:“我们正在努力寻找合适的构件来描述这些奇怪的物质相。”“它们可能是更高维度的弦。”
作为物理学家解释这意味着粒子在一个陌生的,脆性金属数学对应字符串和一个奇特的黑洞至少在理论上存在于更高的维度,全息二元性使他们能够“以不同的方式思考的秘密实验室,“Zaanen说。“也许这不仅仅是换一种思维方式;而是要看到真实、美丽的事实。”
