我們生活在一個(gè)巨大的“宇宙全息投影”中？

在科幻電影中常?？梢钥吹教摂M物體從空氣中投射出來(lái)，而這樣充滿未來(lái)感的技術(shù)在我們的日常生活中早已悄然應(yīng)用：信用卡上的防偽圖案、音樂(lè)會(huì)中“重現(xiàn)”已故明星的虛擬演出，甚至在商場(chǎng)展示中出現(xiàn)的三維產(chǎn)品模型，全都依賴于全息技術(shù)。

1947年，匈牙利物理學(xué)家丹尼斯·蓋博爾正在為提高電子顯微鏡的分辨率而絞盡腦汁，他想找到一種方法，能夠比傳統(tǒng)顯微鏡更清晰地捕捉物體的微小細(xì)節(jié)。在一次實(shí)驗(yàn)中，蓋博爾偶然發(fā)現(xiàn)了一種新的影像記錄方式——通過(guò)干涉現(xiàn)象捕捉光波的相位信息，并通過(guò)衍射現(xiàn)象在讀取時(shí)重現(xiàn)三維圖像。這個(gè)無(wú)意間的發(fā)現(xiàn)，便是“全息術(shù)”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)攝影僅記錄光的強(qiáng)度，也就是明暗信息，而全息圖則同時(shí)記錄了光的相位信息，相位可以被理解為光波的“形狀”或“位置”。這使得全息圖不僅能夠再現(xiàn)物體的亮度，還能展示物體的空間深度和結(jié)構(gòu)。正因?yàn)樗苡涗浫绱藦?fù)雜的信息，才讓我們能夠通過(guò)二維表面呈現(xiàn)出逼真的三維效果，就像是給光波拍攝了一張立體的快照。

全息圖的制作過(guò)程依賴于干涉現(xiàn)象。我們可以想象兩個(gè)平靜的水面上突然各投入一塊石子，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)波動(dòng)，而這兩組波在相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是“干涉”。而記錄下的干涉圖包含了相位等關(guān)鍵的光場(chǎng)信息。在全息術(shù)中，當(dāng)一束激光分成兩束——一束直接照射在全息板上，另一束照射在物體上并反射到全息板時(shí)，二者的相互作用便產(chǎn)生了干涉圖樣。這些干涉條紋記錄了物體表面每一個(gè)點(diǎn)的光波信息。正是通過(guò)這種方式，全息圖得以捕捉并“保存”物體的三維信息。當(dāng)我們要查看全息圖時(shí)，我們只需要通過(guò)合適的光源進(jìn)行照射，這樣原始光波的相位和振幅信息就可以被“解碼”，從而重建出物體的三維影像。

圖全息圖制作原理示意圖

全息圖的出現(xiàn)為我們?cè)诙S表面展示三維物體提供了一種新的理解方式，還為我們?cè)诶斫庥钪姹举|(zhì)的探索道路上提供了一種革命性的視角——全息宇宙。全息宇宙理論提出了一個(gè)驚人的猜想：或許我們所生活的三維宇宙只是二維信息的投影。整個(gè)宇宙的物理信息，包括我們所能感知的物質(zhì)、能量和空間，都可能源自于某種更高維度的表面信息。

全息宇宙理論的提出并非憑空而來(lái)，而是建立在幾十年來(lái)物理學(xué)對(duì)黑洞的研究基礎(chǔ)之上。黑洞是宇宙中最神秘、最極端的天體之一，它們是由大質(zhì)量恒星在其生命末期發(fā)生引力坍縮而形成的天體。由于黑洞強(qiáng)大的引力場(chǎng)，連光都無(wú)法從其中逃脫，因此我們無(wú)法直接觀測(cè)到黑洞內(nèi)部究竟發(fā)生了什么。到了20世紀(jì)70年代，物理學(xué)家在黑洞的研究中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)讓人費(fèi)解的現(xiàn)象。按照我們平常的理解，一個(gè)物體的大小或內(nèi)部復(fù)雜性通常與它的體積相關(guān)。比如，一個(gè)盒子越大，里面能夠容納的信息量也越多。然而黑洞的熵是與它的邊界表面積成正比，而不是與它的體積成正比。

熵

熵是熱力學(xué)中的一個(gè)核心概念，最早由19世紀(jì)的德國(guó)物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏固岢?。熵本質(zhì)上是衡量一個(gè)系統(tǒng)中無(wú)序程度的指標(biāo)，它反映了一個(gè)系統(tǒng)中所包含的“信息量”或“可能性”。一個(gè)系統(tǒng)的熵越高，它的無(wú)序程度就越大，包含的信息就越多。

隨著進(jìn)一步的科學(xué)研究，我們熟知的物理學(xué)家，斯蒂芬·霍金在1974年發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)輻射出熱輻射（即“霍金輻射”）表明，黑洞并不是一個(gè)永恒封閉的系統(tǒng)，它實(shí)際上會(huì)通過(guò)輻射逐漸“蒸發(fā)”，而這種輻射本身也是由黑洞邊界上的信息決定的。黑洞的這個(gè)奇怪的特性為全息宇宙理論提供了啟發(fā)：既然一個(gè)黑洞中的所有信息都可以在它的表面上“儲(chǔ)存”，那么，是否整個(gè)宇宙的信息也可以通過(guò)某種方式儲(chǔ)存在一個(gè)“表面”上呢？這就是全息宇宙理論的核心思想之一：我們所處的三維宇宙，或許只是一個(gè)二維表面信息的投影。

如果我們能夠?qū)⒑诙吹倪@種信息存儲(chǔ)方式擴(kuò)展到整個(gè)宇宙，那么就可能意味著宇宙中的所有物理現(xiàn)象——包括物質(zhì)、能量和空間本身——都是某種更高維度的二維表面信息的體現(xiàn)。這個(gè)想法打破了我們對(duì)三維空間的直覺(jué)理解，提出了一種全新的空間和信息觀念。這為全息宇宙理論提供了初步的科學(xué)依據(jù)，全息原理由此應(yīng)運(yùn)而生。

除了改變我們對(duì)世界的認(rèn)知以外，全息宇宙理論的發(fā)展，還在嘗試解決一個(gè)更為根本的物理學(xué)難題——如何將量子力學(xué)與廣義相對(duì)論這兩大物理理論結(jié)合起來(lái)，建立一個(gè)自洽的理論框架。在解釋這個(gè)難題之前，先讓我們快速一起理解一下這兩大物理理論的核心思想。

廣義相對(duì)論

這是由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在1915年提出的理論，它徹底改變了我們對(duì)引力的理解。傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為引力是物體之間的作用力，而愛(ài)因斯坦的理論則告訴我們，實(shí)際上，引力是空間和時(shí)間的彎曲。物質(zhì)會(huì)讓周圍的時(shí)空發(fā)生變形，而這正是我們感覺(jué)到引力的原因。例如，地球之所以圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，不是因?yàn)樘?yáng)在“拉”著地球，而是因?yàn)樘?yáng)的巨大質(zhì)量使得周圍的空間“彎曲”了，地球則沿著這個(gè)彎曲的軌跡運(yùn)行。

量子力學(xué)

量子力學(xué)是20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一套理論，它徹底改變了我們對(duì)微觀世界的理解。傳統(tǒng)的物理學(xué)認(rèn)為，物體的位置和運(yùn)動(dòng)可以被精確地描述，而量子力學(xué)表明，在微觀尺度上物體的行為不再遵循經(jīng)典的確定性規(guī)律，而是具有概率性。

這就引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)物質(zhì)進(jìn)入黑洞后，它的原始信息去往何處。問(wèn)題出現(xiàn)在黑洞最終的命運(yùn)上。根據(jù)霍金輻射，黑洞并不是永久存在的，最終它會(huì)通過(guò)這種量子效應(yīng)慢慢蒸發(fā)，釋放出輻射，直至黑洞完全消失。然而，霍金輻射是熱輻射，它不攜帶關(guān)于黑洞內(nèi)部物質(zhì)的具體信息，這意味著當(dāng)黑洞完全蒸發(fā)時(shí)，所有進(jìn)入黑洞的信息將不復(fù)存在。這就與量子力學(xué)的“信息守恒”原理相沖突：如果黑洞蒸發(fā)結(jié)束時(shí)沒(méi)有留下關(guān)于原始信息的任何痕跡，那這些信息就徹底丟失了，而這與量子力學(xué)相違背。

因此，黑洞信息悖論在于：

廣義相對(duì)論允許信息被隱藏在事件視界之后。當(dāng)黑洞最終通過(guò)霍金輻射完全蒸發(fā)時(shí)，所有原本進(jìn)入黑洞的物質(zhì)及其信息，似乎都跟著黑洞的消失而丟失。這種情況在廣義相對(duì)論的框架下是合理的，因?yàn)樗](méi)有要求信息的保留。

量子力學(xué)的基本原則之一是信息守恒。任何物理系統(tǒng)的演化應(yīng)當(dāng)是可逆的，即便一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)演變，其原始信息仍然可以在某種形式下保留。信息不可能憑空消失。因此，當(dāng)黑洞蒸發(fā)殆盡，所有的物質(zhì)信息似乎都不見(jiàn)了，這就與量子力學(xué)的基本原理相沖突。

根據(jù)全息原理，信息并沒(méi)有真正消失，而是編碼在黑洞的事件視界上。當(dāng)黑洞通過(guò)霍金輻射蒸發(fā)時(shí)，原先被“吞噬”的物質(zhì)和信息沒(méi)有隨黑洞消失，而是以某種方式保存在這個(gè)二維表面上，并可能通過(guò)量子力學(xué)的某種機(jī)制被解碼出來(lái)。這就解決了量子力學(xué)的信息守恒原則和廣義相對(duì)論在黑洞蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的沖突。

隨著物理學(xué)的高速發(fā)展，全息宇宙的研究也為我們帶來(lái)了越來(lái)越多的驚喜。“我們從哪里來(lái)，又要到哪里去”的古老哲學(xué)問(wèn)題或有一天因此而得到答案。也許所有存在于三維空間中的事物——無(wú)論是我們正在閱讀這篇文章的手機(jī)，還是腳下的地球，亦或是遙遠(yuǎn)的某個(gè)星系，實(shí)際上都可以用某種方式在一個(gè)二維平面上表示出來(lái)。就好像我們只是生活在一個(gè)巨大的“宇宙全息投影”中，而真正的信息存在于某種不可見(jiàn)的高維度空間里。

策劃制作

作者：蔡文垂 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究生

審核：劉茜 北京天文館研究員