在科幻电影中常常可以看到虚拟物体从空气中投射出来，而这样充满未来感的技术在我们的日常生活中早已悄然应用：信用卡上的防伪图案、音乐会中“重现”已故明星的虚拟演出，甚至在商场展示中出现的三维产品模型，全都依赖于全息技术。

1947年，匈牙利物理学家丹尼斯·盖博尔正在为提高电子显微镜的分辨率而绞尽脑汁，他想找到一种方法，能够比传统显微镜更清晰地捕捉物体的微小细节。在一次实验中，盖博尔偶然发现了一种新的影像记录方式——通过干涉现象捕捉光波的相位信息，并通过衍射现象在读取时重现三维图像。这个无意间的发现，便是“全息术”。简单来说，传统摄影仅记录光的强度，也就是明暗信息，而全息图则同时记录了光的相位信息，相位可以被理解为光波的“形状”或“位置”。这使得全息图不仅能够再现物体的亮度，还能展示物体的空间深度和结构。正因为它能记录如此复杂的信息，才让我们能够通过二维表面呈现出逼真的三维效果，就像是给光波拍摄了一张立体的快照。

全息图的制作过程依赖于干涉现象。我们可以想象两个平静的水面上突然各投入一块石子，这时会产生两个波动，而这两组波在相遇时会产生一系列的现象，这种现象就是“干涉”。而记录下的干涉图包含了相位等关键的光场信息。在全息术中，当一束激光分成两束——一束直接照射在全息板上，另一束照射在物体上并反射到全息板时，二者的相互作用便产生了干涉图样。这些干涉条纹记录了物体表面每一个点的光波信息。正是通过这种方式，全息图得以捕捉并“保存”物体的三维信息。当我们要查看全息图时，我们只需要通过合适的光源进行照射，这样原始光波的相位和振幅信息就可以被“解码”，从而重建出物体的三维影像。

图全息图制作原理示意图

全息图的出现为我们在二维表面展示三维物体提供了一种新的理解方式，还为我们在理解宇宙本质的探索道路上提供了一种革命性的视角——全息宇宙。全息宇宙理论提出了一个惊人的猜想：或许我们所生活的三维宇宙只是二维信息的投影。整个宇宙的物理信息，包括我们所能感知的物质、能量和空间，都可能源自于某种更高维度的表面信息。

全息宇宙理论的提出并非凭空而来，而是建立在几十年来物理学对黑洞的研究基础之上。黑洞是宇宙中最神秘、最极端的天体之一，它们是由大质量恒星在其生命末期发生引力坍缩而形成的天体。由于黑洞强大的引力场，连光都无法从其中逃脱，因此我们无法直接观测到黑洞内部究竟发生了什么。到了20世纪70年代，物理学家在黑洞的研究中发现了一个让人费解的现象。按照我们平常的理解，一个物体的大小或内部复杂性通常与它的体积相关。比如，一个盒子越大，里面能够容纳的信息量也越多。然而黑洞的熵是与它的边界表面积成正比，而不是与它的体积成正比。

熵

熵是热力学中的一个核心概念，最早由19世纪的德国物理学家鲁道夫·克劳修斯提出。熵本质上是衡量一个系统中无序程度的指标，它反映了一个系统中所包含的“信息量”或“可能性”。一个系统的熵越高，它的无序程度就越大，包含的信息就越多。

随着进一步的科学研究，我们熟知的物理学家，斯蒂芬·霍金在1974年发现黑洞会辐射出热辐射（即“霍金辐射”）表明，黑洞并不是一个永恒封闭的系统，它实际上会通过辐射逐渐“蒸发”，而这种辐射本身也是由黑洞边界上的信息决定的。黑洞的这个奇怪的特性为全息宇宙理论提供了启发：既然一个黑洞中的所有信息都可以在它的表面上“储存”，那么，是否整个宇宙的信息也可以通过某种方式储存在一个“表面”上呢？这就是全息宇宙理论的核心思想之一：我们所处的三维宇宙，或许只是一个二维表面信息的投影。

如果我们能够将黑洞的这种信息存储方式扩展到整个宇宙，那么就可能意味着宇宙中的所有物理现象——包括物质、能量和空间本身——都是某种更高维度的二维表面信息的体现。这个想法打破了我们对三维空间的直觉理解，提出了一种全新的空间和信息观念。这为全息宇宙理论提供了初步的科学依据，全息原理由此应运而生。

除了改变我们对世界的认知以外，全息宇宙理论的发展，还在尝试解决一个更为根本的物理学难题——如何将量子力学与广义相对论这两大物理理论结合起来，建立一个自洽的理论框架。在解释这个难题之前，先让我们快速一起理解一下这两大物理理论的核心思想。

广义相对论

这是由阿尔伯特·爱因斯坦在1915年提出的理论，它彻底改变了我们对引力的理解。传统上，人们认为引力是物体之间的作用力，而爱因斯坦的理论则告诉我们，实际上，引力是空间和时间的弯曲。物质会让周围的时空发生变形，而这正是我们感觉到引力的原因。例如，地球之所以围绕太阳旋转，不是因为太阳在“拉”着地球，而是因为太阳的巨大质量使得周围的空间“弯曲”了，地球则沿着这个弯曲的轨迹运行。

量子力学

量子力学是20世纪初发展起来的一套理论，它彻底改变了我们对微观世界的理解。传统的物理学认为，物体的位置和运动可以被精确地描述，而量子力学表明，在微观尺度上物体的行为不再遵循经典的确定性规律，而是具有概率性。

这就引发了一个问题：当物质进入黑洞后，它的原始信息去往何处。问题出现在黑洞最终的命运上。根据霍金辐射，黑洞并不是永久存在的，最终它会通过这种量子效应慢慢蒸发，释放出辐射，直至黑洞完全消失。然而，霍金辐射是热辐射，它不携带关于黑洞内部物质的具体信息，这意味着当黑洞完全蒸发时，所有进入黑洞的信息将不复存在。这就与量子力学的“信息守恒”原理相冲突：如果黑洞蒸发结束时没有留下关于原始信息的任何痕迹，那这些信息就彻底丢失了，而这与量子力学相违背。

因此，黑洞信息悖论在于：

广义相对论允许信息被隐藏在事件视界之后。当黑洞最终通过霍金辐射完全蒸发时，所有原本进入黑洞的物质及其信息，似乎都跟着黑洞的消失而丢失。这种情况在广义相对论的框架下是合理的，因为它并没有要求信息的保留。

量子力学的基本原则之一是信息守恒。任何物理系统的演化应当是可逆的，即便一个系统经过演变，其原始信息仍然可以在某种形式下保留。信息不可能凭空消失。因此，当黑洞蒸发殆尽，所有的物质信息似乎都不见了，这就与量子力学的基本原理相冲突。

根据全息原理，信息并没有真正消失，而是编码在黑洞的事件视界上。当黑洞通过霍金辐射蒸发时，原先被“吞噬”的物质和信息没有随黑洞消失，而是以某种方式保存在这个二维表面上，并可能通过量子力学的某种机制被解码出来。这就解决了量子力学的信息守恒原则和广义相对论在黑洞蒸发过程中产生的冲突。

随着物理学的高速发展，全息宇宙的研究也为我们带来了越来越多的惊喜。“我们从哪里来，又要到哪里去”的古老哲学问题或有一天因此而得到答案。也许所有存在于三维空间中的事物——无论是我们正在阅读这篇文章的手机，还是脚下的地球，亦或是遥远的某个星系，实际上都可以用某种方式在一个二维平面上表示出来。就好像我们只是生活在一个巨大的“宇宙全息投影”中，而真正的信息存在于某种不可见的高维度空间里。

策划制作

作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究生

审核：刘茜 北京天文馆研究员

来源: 科普中国新媒体

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