全息攝影是一種先進的攝影技術，它能把三維物體的所有信息都記錄在二維的膠片上，當我們再用激光照射膠片，就能復原出這個物體栩栩如生的立體像來，幾乎可以以假亂真。

怎么?難道我們這些所謂有血有肉的人，每天吃著、玩著、生活著、戀愛著，都只是幻覺?僅僅只是因為某個地方有些平面人在做著這一切，而我們不過是他們的全息幻影?

從黑洞的全息

到宇宙的全息

物理學家提出“世界只是一張全息圖”的假說，可不是毫無根據地在故做驚人之談，而是在理論上有一定基礎的，這根據來自科學家對黑洞的研究。

黑洞是宇宙中非常古怪的一類天體，它附近的引力強大到足以讓光也逃脫不開。那個連光也有去無回的界線，我們就稱為黑洞的視界。黑洞的視界是一個均勻的球面，視界之內發生什么我們是無從知道的，因為里面的信息不可能越過視界透露給我們。

這樣一來，假如有一團物質掉進了黑洞，這團物質一旦越過視界，它所攜帶的信息就丟失了，視界外面的人無從得知被黑洞吞吃掉的是烤鴨還是燒雞。而這與目前被人們廣泛證實的“信息不會丟失”的觀點是相沖突的。

但以色列物理學家貝肯斯坦卻提出一個假說，巧妙地把它們協調了起來。他認為有關掉進黑洞的物質的信息并沒有丟失，這些信息都編碼保存在了黑洞視界上(這個視界我們是可以看到的);而且黑洞內部所包含的信息量與其視界的表面積成正比;所以黑洞視界的表面積其實就是黑洞信息的表征。

這個假說經過許多理論上的檢驗，被認為是合理的。但黑洞是三維的球體，而其視界是二維的球面，假如有關三維球體的信息能完全保存在二維的球面上，那豈不就像全息攝影一樣?但對黑洞來說，的確如此。

從黑洞的這一現象上獲得啟發，有科學家甚至提出，我們整個宇宙的所有信息都保存在宇宙邊界的二維球面上;所以我們這個貌似三維的世界實際上是二維全息圖的一個投影。這個邊界在哪里呢?在137億光年之外，那里的光至今還沒能抵達我們地球上呢。

從黑洞推廣到整個宇宙，這一步是不是邁得太大了?目前這還不太清楚，所以“全息宇宙理論”還只是一個假說。但有科學家在理論上已經嚴格證明，有一種假想的五維的有界無限的時空(球面就是一個有界無限的例子，它是有界的，但你要是沿著球面行走，卻沒有盡頭，所以又是無限的)從效果上看，這個五維時空就好像畫在其4維邊界上的全息圖形。雖然五維時空遵守的物理理論與其四維邊界上遵守的物理理論完全不同(因為連涉及的維數都不同)，但我們根本沒法區別，一個物理過程究竟是發生在五維時空里，還是發生在四維邊界上。

空間的基本單位變大了

假如全息宇宙理論是正確的，那將又一次改變我們現有的時空觀念。很久以來，理論物理學家們就相信，由于量子效應，我們這個世界的空間并不是連續的，而是有一個最小的單位，也就是說，空間從根本上說是顆粒狀的。這些空間顆粒就像電腦顯示屏上的像素一樣，不能比它們再小的了。按量子理論，長度的最小單位是普朗克長度，大約10-33厘米，這個尺寸比一個質子的一萬億分之一還小;面積的最小單位是普朗克面積，即大約10-66平方厘米;空間的最小單位是普朗克體積，即大約10-99立方厘米。

英國物理學家霍金還推導出，在黑洞的視界上，4個普朗克面積存儲1比特的信息(比特是信息的最小單位，在二進制中，每個0或1就是1比特，如二進制數0110就是4比特)。所以，一個半徑為1厘米的黑洞，其視界上竟可以存儲大約1062比特的信息，而目前全球互聯網上全年的信息流量才只有1022比特呢。

普朗克長度、普朗克面積和普朗克體積，這些量是如此之小，遠遠超乎目前物理學家的測量能力。但假如我們這個三維世界不過是二維球面的全息投影，那會怎樣呢?一個球體的體積與半徑的三次方成正比，而其表面積只與半徑的平方成正比，當我們都用最小單位來丈量的時候，你會發現球體所包含的普朗克體積的數量要遠大于表面積所包含的普朗克面積的數量。

但根據我們這里全息的要求(全息照片的另一個特點是照片里任何一小塊都包含了整體的信息，不過本文中所說的“全息”并不包含這個特點。我們這里的全息只指三維的信息可以全部記錄在二維的平面上這一點)，球體體積所包含的信息量應該跟其表面積上包含的信息量相等。結果是，需要很多個普朗克體積才能與表面的一個普朗克面積對應。比如，一個視界半徑為1厘米的黑洞，為了滿足全息的要求，竟然需要3×1030個普朗克體積才能對應視界上的1個普朗克面積。根據霍剛的結論，在黑洞的邊界上，4個普朗克面積存儲1比特的信息，那么在這個黑洞內部，則卻需要每12×1030個普朗克體積才能存儲1比特的信息。

既然在三維世界里，需要很多普朗克體積才能存儲1比特的信息，那反過來是否可以這樣說:在3維世界里普朗克體積并不是它的空間基本單位，基本單位應該是儲存了1比特信息的那個體積，比如說需要1000個普朗克體積才能存儲1比特信息，那么1000個普朗克體積才是空間的基本單位。根據這一想法，霍剛估計了一下，假如全息理論對于整個宇宙也成立，那么我們這個世界空間的最小單位應該大約是10-42立方厘米(存儲1比特信息至少需要這么多)，這比普朗克體積10-99立方厘米要大多了。空間體積的最小單位變了，長度的最小單位也變了，不再是普朗克長度10-33厘米，現在變成了10-14厘米，--這個尺寸已經不再是人力所不可及的了。

噪聲證明

宇宙是全息的?

那么這個全息宇宙理論跟引力波探測器測量到的噪聲又有什么關系呢?讓我們先來了解一下引力波探測器是如何工作的。

引力波探測器實際上是一架非常靈敏的激光干涉儀:一束激光經過一個半透明的分光鏡后，分成兩束，一束繼續沿原來的方向傳播，另一束則被反射到與之垂直的方向上傳播(當然，都是在真空里)。然后經各自的鏡子反射回來后發生干涉。假如它們經過的距離絕對一樣長，那么干涉時就相互抵消，探測器就探測不到一個光子。但只要兩束激光經過的距離稍有點不同，干涉時就不能完全抵消，于是非常敏感的探測器就可以探測到光子了。

在實驗中，這套裝置一開始就調到兩束激光完全相消，說明它們在水平和垂直方向通過的距離完全相等。當引力波傳來時，它總是有一定的方向，所以對于水平和垂直這兩個方向的影響會有所不同。由于引力波直接會引起空間距離的變化，所以水平和垂直方向的距離就不再完全相等了，這樣，兩束激光干涉時不能完全抵消，我們就將探測到光子信號。

前面提到，空間從普朗克長度的尺度上看是顆粒狀的，不僅如此，空間還存在大量量子漲落，假如我們縮小到普朗克長度的尺度上看，空間簡直就像沸騰的大海。漲落的幅度一般跟空間的最小尺寸相當(因為漲落越大，出現的概率就越小)，比方說空間的最小尺寸是普朗克長度，那么漲落的幅度也差不多是普朗克長度;但要是空間的最小尺寸不是普朗克長度，比它大得多呢(像現在全息宇宙理論所認為的)，那么相應的，漲落的幅度就比普朗克長度大多了。

空間漲落造成的結果是置身于其中的物體會有輕微的抖動，就是說，物體的空間位置不那么確定了。比方說在引力波探測器上，那幾面反射鏡和分光鏡就會有輕微的抖動;但假如抖動只有普朗克長度的尺寸，那實在是太微弱了，目前的儀器根本沒辦法探測到;可是全息宇宙理論預言的空間漲落要大得多(因為它的空間最小尺寸比普朗克長度要大得多)，所以它所帶來的抖動也必然要大得多。這些大的抖動造成兩束激光不能在任何時候都保持相消，于是就產生了大量隨機的噪聲。

這就是霍剛對于引力波探測器上出現的異常噪聲的解釋。假如這個解釋是正確的，那其意義不亞于1964年天文家發現的宇宙大爆炸之后遺留下來的2.73K微波背景輻射(這種輻射也表現為一種噪聲)。

全息宇宙理論目前還只是一個假說，沒有上升到物理定律的高度。但這個理論給物理學帶來一種全新的思維，即考慮問題把信息放在第一位。普朗克體積本來是空間的基本單位，這是按空間本身的性質得出來的，但現在當我們說“在三維世界里普朗克體積并不是它的空間基本單位，基本單位應該是儲存了1比特信息的那個體積”時，在邏輯上就暗含了“信息第一”的思想，讓1比特的信息反過來決定空間的最小單位了。如果“信息第一”的思想是正確的，那么我們對于許多物理問題和現象可能都要不得不重新考慮了。如此一來，一場新的物理學革命也許就要來了。