好久没写cn-stem帖子，聊一个比较玄的话题吧。我们的宇宙会不会是一张全息膜呢？我们其实生活在一个二维的宇宙里？

什么是全息，全息有两种含义，一个是将高维的信息储存在低维的介质上。另一个就是部分包含整体的信息。最直观的理解就是早期的全息摄影，比如下面这张：

图1、全息照片，从不同角度看可以看到物体被拍摄物体的不同侧面。而照片本身只是一片玻璃板。来源地址：维基百科 作者：Georg-Johann Lay 版权： public domain

全息照片的特点就是在一张二维的玻璃板上面记录了物体的三维信息。我们人类对宇宙的感知是三维空间加一维时间，这个三维空间其实是我们大脑为了适应而构建出来的，理论上我们感知的三维空间信息也可以是储存在二维全息膜上的。而且，这种可能性是非常大的。而线索就隐藏在黑洞里。要讨论这个话题我们先要了解一下由海森堡提出的量子测不准原理。

1.测不准原理

测不准原理可能我们对宇宙最深刻的洞见了，当然它只适用于基本粒子的微观世界。提到最多的最不准关系是运动状态和位置。比如我们要同时精确测量一个电子的运动速度和位置，事实上这是办不到。我们能想到办法就是与雷达一样的原理，向这个电子发射一个光子，然后我们测量反弹回来的光子，再计算电子的位置和运动状态。但是电子太小了，如果要精确测量电子的位置，我们需要发出的光波长非常短，波长短则意味着光子频率高，能量大。因为电子质量太小了，被高能量的光子撞击后，运动轨迹会大幅改变。也就是说，我们在精确测量电子位置的时候，就把电子运动状态的信息给毁了。反之亦然，如果精确测量电子的运动状态，那么电子的位置就不了么确定。

除了这个对经典的测不准关系外，还有一对测不准关系，与我们今天讨论的话题直接相关，那就是时间和能量。也就是说，绝对的真空并不存在，当我们能观测得时间瞬间足够小的话，真空中的能量将不为零，因为时间非常短的时候，能量是不确定的。能量和质量是一回事，也就是说在足够短的瞬间，真空中会无中生有的产生一对正反粒子，存在很短时间然后互相湮灭。所以我们把观察时间拉长时，真空中的能量就确定为零了。

3、霍金辐射

霍金辐射是霍金提出的关于黑洞的理论，也就是在黑洞视界附近，事情变得不太一样了，当一对正反粒子从真空中无中生有产生出来，其中一个可能落入黑洞视界里面，再也无法逃出，也就无法与视界外的反粒子相互湮灭，这样黑洞表面就会不断向外放出辐射。同时在量子力学中还有一个信息不灭定律，如果一个物体进入了黑洞视界，他将无法逃出，他所携带的信息也就被消灭了。这直接与信息不灭定律矛盾，形成了悖论。科学家们认为，解决悖论的办法可能就是霍金辐射，进入黑洞内部的物体的信息，通过霍金辐射又回到了我们的宇宙中。好了，最不可思议的情况就是这里了，假设有一个悲惨的宇航员不幸落入了黑洞，我们不可能看到他在黑洞里面发生了什么，因为黑洞内部的光不可能逃出来。也就是我们丢失了宇航员的信息，如果霍金辐射能够解决黑洞信息悖论的话，那么理论上我们可以通过分析黑洞放出的霍金辐射来了解宇航员在黑洞里面发生了。霍金辐射是从黑洞视界表面发出的，而黑洞表面是一个二维球面。如果从倒霉的宇航员的视角来看，在他越过视界的那一刻，其实没有什么特别的变化，尽管他不可能再出来了，黑洞内部的空间仍然是三维的。这里我们就碰到了和全息图一样的情况，在黑洞表面这个二维球面上，存储了它内部三维空间的信息。黑洞只是时空极度弯曲的产物，在黑洞这种极端状态下表现出来的全息性质，会不会就是宇宙时空本身的性质呢？

人类曾经认为大地是平的是天经地义的。结果其实不是。后来人类又认为地球是宇宙的中心是天经地义的，结果其实不是。也将来某一天，空间是三维的这个认识也会成为人类认识宇宙的经典谬误之一，让我们拭目以待吧。

参考资料：

• youtube视频：Is the universe a hologram? The strange physics of black holes
• 维基百科

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