引言：滑铁卢大学天体物理学家Afshordi 及其团队曾在2017年发文称，他们研究了宇宙微波背景中的涨落，发现了强有力的证据，能够支持早期宇宙的全息解释。团队另一成员、英国南安普顿大学的科斯塔斯说：“试想一下，我们的所见、所感、所闻，以及对时间的感觉，实际上都源于一块扁平的二维场。一个二维表面包含着三维图像的编码，有点像信用卡的安全芯片里包含着大量信息。不过，这次编码的是整个宇宙。” 

1.全息的宇宙

所谓全息，即全部信息，本意是指在二维照片底版上记录了三维物体的全部信息。通常的照相底版上只记录了光的强度，而全息照相不仅能记录光的强度，还记录了光的相位，所以可以用相干光从中提取三维物体的全部几何信息。但你可曾想过，我们身处的宇宙也是张全息图。说宇宙是张全息图，是指宇宙具有类似全息图的性质。这一发现源于黑洞物理的研究。黑洞是一类特殊的天体，其引力非常强，以至于连光也被吸引住了。所以黑洞是“黑”的，人们无法看到。从数学上讲，黑洞指的是爱因斯坦广义相对论引力场方程的一类特殊解，是时空的一个区域，其边界叫视界。任何物体穿过视界进入黑洞后，就不能再返回到外部世界了。所以黑洞视界是一张单向膜，将黑洞的内外隔离开来。

图1

在1915年，爱因斯坦发现，事实上自然界并不存在引力，所谓引力其实是时空弯曲的效应。爱因斯坦的广义相对论将时空的弯曲和时空中的物质分布联系在一起，蕴含着丰富的哲学思想。在解释爱因斯坦广义相对论时，著名物理学家惠勒曾说：“时空中的物质告诉时空如何弯曲，而弯曲的时空告诉物质在其中如何运动。”著名理论物理学家朗道曾评价广义相对论“可能是最漂亮的理论”。

1973年，贝肯斯坦发现一个黑洞必须具有熵，不然在涉及黑洞的物理过程中会违背热力学第二定律（熵增加定律）。他证明了黑洞的熵必须正比于黑洞视界的面积。1974年，霍金证明黑洞其实并不“黑”，一个黑洞会以黑体热辐射的形式向外辐射能量，其温度正比于黑洞的表面引力。贝肯斯坦、霍金等人的工作证明，黑洞其实是一个热力学体系，它有质量、温度、熵等热力学量，这些热力学量满足热力学的三大定律。

一个体系的熵是其微观自由度的刻画。在热力学统计物理中，熵是一个广延量，即它正比于其体积：一个体系体积越大，其熵越大。而一个黑洞的熵却正比于其表面积，而非体积。这一特殊的性质暗含着深刻的内涵，它揭示出引力具有非同一般的性质—全息。引力具有全息性质这一概念是在1993年由诺贝尔物理奖获得者特霍夫特提出的。1994年，美国斯坦福大学的物理学家萨斯坎德进一步阐述了这一思想。所谓引力的全息性质，是指一个引力体系其有效自由度正比于其体系表面，就好像分布在其表面上一样。如果这样，我们的宇宙就是一张全息图，其自由度（所有性质，包括动力学过程）完全可以在一个全息屏上描述。

实现引力全息原理的第一个漂亮例子，由马尔达西那在超弦理论中提出。1997年底，通过研究超弦理论的非微扰孤子（D-膜）的性质，马尔达西那发现一个在反德西特（Ad S）时空（一类带一个负宇宙学常数爱因斯坦引力场方程的解）上的量子引力理论等价于在这个反德西特时空边界上的共形场论（CFT）。这就是所谓的Ad S/CFT对偶性。稍后，著名超弦理论家威腾等构造了一个数学关系，联系了在反德西特时空中的量子引力理论和反德西特边界上的共形场论。这个关系有时被称为Ad S/CFT对偶性字典，因为它映射了两个理论之间的一一对应关系。

图2 根据普朗克卫星的数据绘制的宇宙微波背景辐射图

2.弦的振动

弦理论认为所有的粒子由一根在微观多维时空中振动着的弦构成，这些弦能够拉神、缠绕和弯曲，事实上，虽然弦很细，但是它们有着令人难以想象的韧性，巨大的张力使得其无法拉伸到我们可以观测到的长度，基本粒子的弦就是宇宙中最小的尺度-普朗克长度。不同的粒子的基本粒子和组成不同力的虚粒子都是由相同的弦组成，所不同的是弦的振动模式，而弦的振动并不仅限于我们所知的四维时空，经过弦理论学家的精密计算，还需要另外的 7 个维度才能满足弦的振动，身处四维时空的我们看不到这些蜷缩起来的维度，就像一根再粗的毛线对我们来说也实在太小太细，当然不能在线上做任何运动，但是对于小的多的飞虫来说，它们可以自如的在毛线这个圆柱体上漫步，比小飞虫再小些的物体甚至能路过毛线上的坑坑洼洼，发现线上更小的维度。

因此基本粒子的细小弦圈就像是一级级复合的螺旋桨一般，当我们用一个慢速的快门去扑捉，这时的基本粒子是一个点的大小，看不到任何结构，现在不断的提高快门的速度，你会发现点的弦圈状态将慢慢浮现出来，随着快门速度的增加，这根弦圈每个部分隐藏在蜷缩维度的振动被展现出来，这个新的图像看起来更加混乱，铺开的面积也更大，并且会一直继续下去，直到铺满整个宇宙。

如果不能提高快门的速度，还有一种方法可以看清弦的结构，那就是让它自身的速度慢下来：当一个小小的粒子接近黑洞视界时，由于黑洞巨大的引力作用导致粒子的速度越来越慢，此时越来越多的振动着的弦状结构就会进入视界外观察者的视线，并随着时间的推移，原本小小的粒子的螺旋桨结构越来越大并慢慢充斥于整个视界，但是当观察者随着粒子一起下落时，由于两者处于一样的情境下，所以并没发现自己的动作和一起下落的粒子的运动变慢了，也没有产生任何视觉变化，粒子还是那个微小的粒子。于是弦理论使得萨斯坎德的黑洞互补性原理变得没那么怪异，之所以会产生这两种完全不同的结果，无非是不同参考系的不同观察者而已罢了。

3. 黑洞有“毛发”

弦理论对黑洞互补性原理的另一个重要补充便是打破了约翰·惠勒黑洞无“毛发”的结论，以更加直观的方式描述出被吸入的信息最终是如何从黑洞逃出的。

黑洞无“毛发”的结论即 1973 年霍金等人所提出的黑洞无毛定理，他们认为进入黑洞的信息，不论是一颗树还是一个人，只会剩下质量、电荷和角动量三个量，其余的诸如元素构成、温度甚至辐射等等其他的信息都不会保留，因此黑洞是“无毛”的，是简单的，是光滑的，对于霍金来说，只要知道了它的质量、角动量和电荷，也就知道了有关这个黑洞的一切，这被称为黑洞无毛定理。而根据弦理论，黑洞看起来却没那么简单。黑洞视界表面呈现的图像是一团通过引力作用而平贴在表面的弦，这些弦紧紧的缠绕并且不断的产生量子扰动，导致黑洞外的人将在视界表面看到许多冒出来的弦片段，其每一根的两端都牢牢的固定在视界上。弦理论计算出两根基本弦是可以相互穿越并且能重新组合的，这符合量子世界的不确定性，两根弦或者同一根弦的不同部份在相遇时 90％的可能它们彼此相安无事地穿越，也有 10％的可能会重组，产生新的完整弦圈，因此露在视界外面的这些弦片段有 10％的机会重组成一个新的弦圈、一个新的粒子，并且从视界上掉下来离开了这个危险区域，而当这个粒子逃出黑洞时，黑洞的能量也随之减小了，这就更加清晰的解释了霍金的黑洞辐射和蒸发。

4. 信息藏在果壳的褶皱里

（1） 褶皱里的密码

通过上面对弦理论的介绍，我们发现在人类肉眼无法看到的空间里存在着更多维的时空，这些时空卷缩分布在空间的每个点上，基本弦也大都在蜷缩的时空维度里不断缠绕和振动，这些蜷缩的多维时空也可以被称作是咱们现在所处时空的褶皱。

在生活中，你绝对找不到一个完全光滑的物体，每一个物体都是有皱纹的，而在弦理论认为，延展的四维时空的褶皱就是其他的 7 个卷缩维。霍金在《果壳里的宇宙》中也说到，宇宙最初是一个质量极大而体积极小、像果壳一样的时空，这个果壳的量子褶皱里包含了宇宙的全部信息，宇宙大爆炸的过程就是量子褶皱里的信息包分裂复制的过程，其中整体包含了每个部分的信息，部分也都携带了整体的全部信息，例如碳原子的信息密码，早在大爆炸初期就已经存储在果壳的褶皱里了，现在碳原子依然是按照最初的结构信息存在着。

（2） 有序和无序的相互转化

在最初的果壳的宇宙中，一切是那么高度有序，以至于其处于一种极不寻常的低熵状态，在不断复制和分裂信息产生新物质的同时，其总熵在不断增加，有序状态开始慢慢地走向无序，这种高度有序的初始状态决定宇宙万物会遵循热力学第二定律，即朝向熵增的方向发展。可以这么理解，当一本按页码编号装订的书被拆成一页页地朝上空抛出，去检查散落一地的书页时，你一定会发现页码被打乱了，为什么会如此肯定呢？因为这本书一开始就处于高度有序的状态，其书页编码的熵为 0，所以只能朝着熵增大，信息趋于混乱的方向发展。但如果这书一开始的页码就是打乱的呢？散落的书页编码即使再次打乱还会被你一眼就发现么？答案是否定的：抛前和抛后两者的熵相差无几。因此，由于宇宙诞生时是高度有序状态，从那时起我们便一直都生活在这种向高熵状态演化的宇宙中。

然而，宇宙中只存在从有序到无序的单向转化吗？当然不是，与任何存在相互矛盾关系的两者一样，有序和无序二者之间是对立而又统一的，并且同样会在某一条件下相互转化。众所周知，热力学第二定律成立的前提是在一个孤立的系统中，但真实的宇宙中却几乎找不到一个完全孤立存在的系统，信息与信息、对象与对象、系统与系统之间总是相互关联并交织在一起，形成了一个个远离平衡态的开放系统，并且不断地通过与外界交换物质和能量，从而在一定条件下把无序转化为有序，这便是著名物理学家—伊里亚·普利高津的耗散结构理论。生命系统是典型的开放系统，也都是远离平衡态的耗散结构，其重要的特征就是必须不断与周围的环境进行物质、能量和熵的交换，从而产生负熵流来使得自身系统的总熵之和不变甚至减少，形成有序结构以此来维持生命的存活和进化，这也就是生命系统新陈代谢的过程。

薛定谔在其著作《生命是什么》一书中说到，生命为摆脱死亡，也就是熵的最大值，唯一的办法就是不断从外界中汲取负熵。孤立的系统总是趋向信息的无序，而正是这一内在定律致使生命体等开放系统不断与外界环境进行熵的转移，从而在无序中得以实现有序，而系统内在的有序必然以整体的无序与熵增为代价。