「全像攝影」（holography）是一種以二度空間的平面影像表達三度空間立體物件的攝影術。它的發明人匈牙利裔物理學家丹尼斯．蓋博（Dennis Gabor）因此獲得 1971 年諾貝爾物理獎。

「全像原理」（holographic principle）是「量子引力」（quantum gravity）和弦論（string theories）的一種論述。

這個論述主張對一個空間內部的「描述」（後詳），譬如一個由「事界」（event horizon）所定義的黑洞（黑洞 ─ 宇宙不讓你知道的秘密）或者甚至我們的宇宙，都可藉由在這空間的「邊界」（boundary，拓撲學定義）上「入碼」（encoding，例如將某商品的品名、產商、價格等資訊數碼化成條碼列印備掃）來完成。一如上圖，小老鼠從任何角度看過去的身影（亦即「全像」）都已經「入碼」在平板顯示幕內，否則如何可能形成三度空間多面向的小老鼠立體描述？

全像原理由荷蘭籍物理學家 Gerard 't Hooft（規範場論、黑洞、量子引力論專家）首先提出，後由史丹佛理論物理學院主任 Leonard Susskind （弦論、量子場論、量子統計力學、量子宇宙學專家）賦予以弦論上的解釋。這個解釋除 Gerard 't  Hooft 的學說外還涵括一位 Charles Thorn 的論點，而 Charles Thorn 在 1978 年發現，弦論顯示重力可以以一種全像的方式自二度空間（相對於宇宙三度空間是為 lower-dimensional）的描述中產生。

概括而言，我們的宇宙可以看成是一個被「畫」在「宇宙地平線」（cosmological horizon，可觀測宇宙的範圍邊界）上的資訊體（information structure），而我們所體驗的三維宇宙時空只是在宏觀（macroscopic scales）和低能（low energy）狀態下的描述，並非真實本身。一如上面栩栩如生的小老鼠幻影非真，「真」的小老鼠「住」在平板顯示幕裡。

「全像原理」或「全像宇宙論」（holographic universe）受黑洞熱力學（black hole thermodynamics）啟萌而生。黑洞熱力理論發現，黑洞的熵（entropy，後詳）值與黑洞直徑的平方成正比。也就是說：黑洞內部的一切（東西 + 事情） => 黑洞的熵 => 黑洞（以事界定義的）直徑平方 => 黑洞（事界的）表面積全部息息相關，implying that 黑洞的事界 encode 黑洞內部所有的一切資訊。那麼，宇宙的（如果有一個）cosmological horizon，該處是否可能有個二度空間的平面 encode 宇宙內部一切的一切，甚至更進一步說，該 encoding 才是真實宇宙，我們所知所感的宇宙只是幻覺？一如本文最上端那隻小老鼠只是幻象，平板顯示幕才是存在的真實？當伸手去摸小老鼠時，你碰觸到的是什麼？三度立體幻象下的小老鼠和二度平板顯示幕中的小老鼠，誰「造就」了誰？

更具體點說，二維的小老鼠平板顯示幕是「小老鼠宇宙地平線」，是其內三維幻象小老鼠宇宙的邊界（boundary）。真正的小老鼠「住」在真實存在的小老鼠平板顯示幕裡，三維下的小老鼠影像只是在宏觀和低能狀態下的小老鼠描述，是二維小老鼠的「投射」，不是真實；而此描述完全源自「小老鼠宇宙地平線」邊界上二維真實小老鼠的 encoding。你可以把三度空間裡幻象小老鼠想成是二度平面裡真實小老鼠的「影子」。當然這和我們日常生活經驗完全相反 —— 我們的真實是三維，牆上自己的影子是二維，二維物是三維物的影子，不是倒過來。However，我們不是在講光學上的影子，而是一個三維的立體「影子」從何而來。如果你說身為三維「影子」的我們不可能從二維，而是從四維世界而來，全像原理將告訴你那是錯的，這是它最詭異的地方！

So far so good？基本概念有了，讓我們暫時告一段落先來消化一下。「量子引力」是理論物理學上尚未達成的目標，企圖用量子力學原理來解釋重力（亦即萬有引力）。人類現階段對重力的解釋由愛因斯坦的廣義相對論（theory of general relativity）主導，而廣義相對論屬於經典物理（classical physics），是對牛頓重力理論的修正而非推翻或創新（重力如何影響時間 ─ 你必須知道的廣義相對論﹝弦論一﹞）。

而宇宙已知四種力（電磁力、強／弱作用力、引力）中的其他三種力都是在量子力學的架構下被描述、解釋成功的（重力的問題：神子、希格場、標準模型、相對量子論 ─ 人類的努力、挫折、與希望）。由於經典（classical，事關極大物）和量子（quantum，事關極小物）體系之格格不入，量子引力論如果不能成功，代表人類對重力的瞭解（廣義相對論）有誤。簡單講就是：我們無法證明廣義相對論有錯，然而廣義相對論卻無法在極小範圍內正確描述重力，這代表廣義相對論並不「放諸四海而皆準」。對重力的解釋要放諸四海而皆準則必須在量子範圍內也完整、成功、正確，那就是量子引力論。可是量子引力論還沒成熟，連誕生都算不上，只是先取了個名字。

弦論請參考什麼叫做「光子在瞬間遍訪宇宙」？﹝弦論 O﹞到空間的裂變及癒合 ─ 問題在那裡？﹝弦論八﹞系列文章。下圖中的環狀弦是為重力弦，有別於其他弦。重力弦無端，因此不附著於任何「膜」（ brane，各種度數的空間，不限二度），無論維度，黃紙只是示意。第四段所述「弦論顯示重力可以以一種全像的方式自二度空間的描述中產生」之意在此。

所謂「對一個空間的描述」可以用一杯清水滴入一滴醬油來舉例。一滴醬油滴進一杯水，醬油會逐漸擴散、稀釋、滲透，最後達到某種平衡狀態。在整個過程中的每一瞬間，如果我們對杯裡的每一顆分子（包括水分子和醬油分子）的位置、熱／動能、量子態等都有精確資訊的話，我們就可以準確描述這系統一切的一切。把黑洞或宇宙想成這杯醬油水，把裡頭的每一顆粒子想成醬油水的水／醬油分子，同樣的我們也可以精準正確的描述一個黑洞乃至整個宇宙。至此不難料到，所謂的「描述」必然與熱力學裡最重要的概念「熵」（entropy）有關，因為熵正是「一個系統可被安排的方式之總數」，你可以將它想成「密閉系統的亂度」。

在一個空間的邊界上有這空間內部所有狀態的 encoding，so that 你可以得知它內部 everything 的描述？什麼意思？

譬如說，「事界」是屬於黑洞的、與光有關的重力邊界 —— 受黑洞強大重力影響，由於（與「重力奇點」“singularity”，亦即黑動中心的數學原點）距離關係，可逃離光和不可逃離光 say bye-bye 的地方。事界是一個球狀體的表面，實際存在、肉眼可見的、光的分水嶺，之外屬於宇宙，其內黑不見底深無可測，我們不可能得知裡面的任何事物，可算在宇宙之外。

由於黑洞強大的引力，事界上的時間也受到無限扭曲，因而落入黑洞的東西對外在觀察者而言將越掉越慢終而在事界上「凝固」，看似永不落入，實則早已掉進去粉身碎骨，兩者皆真。因為黑洞在宇宙時間上已走到盡頭，外面的世界還在時間的長軸上牛步前進（光子和時間的關係：什麼叫做「光子在瞬間遍訪宇宙」？﹝弦論 O﹞）。可逃離光子在越近事界的地方所花費的逃離時間越長，有點像一列笨重的火車從靜止慢慢加速到每小時一百公里，起初的一公分可能花上幾百千億年，所以我們一時還看不到那光子代表的影像。在事界上的光子則得花上無限長的時間逃離 —— 無限長就是永遠，永遠才能逃離就是無法逃離。

事界內的光子更是逃離無望，所以事界範維內的任何有形無形的東西，包括「聲音」、「消息」、乃至光本身都無法逃離，因此叫作黑洞。聲音不能逃離就無聲，光線無法逃離就看不見、一片漆黑，資訊、消息無法逃離就對它內部一無所知。那麼比如說，現在我坐在桌前打字這回事，正在我們宇宙中發生。這電磁波影像以光速往四面八方傳送，一秒後到月球，二十分後火星可見，幾小時後離開太陽系。如果此時這電磁波（其實就是光）遇到一個黑洞被它吞食，從該黑洞回看我打字這角度的影像是否將永遠從宇宙消失？剛才不是說黑洞事界範維內的「光本身都無法逃離」嗎？「我在打字」這回事會變成「從未發生」過嗎？這是後續「資訊悖論」（information paradox）的主題，暫時不表。不過回到上面的問題「在一個空間的邊界上有這空間內部所有狀態的 encoding，so that 你可以得知它內部 everything 的描述？」，資訊悖論和全像原理一齊回答說：「是的，黑洞的事界就是黑洞外圍邊界的二度平面，而此平面留有 GolfNut 打字影像的 encoding，這回事不會從宇宙消失」。

全像原理說，黑洞裡發生的所有一切事情（系統描述、總熵值／態）都 encode 在事界上，掉進去的東西越多，熵值越大，事界面積越大，系統描述越複雜。

而黑洞內部的整體描述照說應和它的「體積」，也就是黑洞直徑的立方成正比，研究結果意外發現竟然是和黑洞直徑的平方成正比，也就是說，和事界的面積成正比。這意料之外的發現也就是「全像宇宙」（holographic uiverse）理論的源起。

我們以為真實的宇宙（reality）可能是一個 hologram，所知所感的萬事萬物只是一個宏觀與低能狀態下的幻覺，一如 hologram 其實是平面影像，立體感是我們自己的錯覺（太多理論強烈指出我們所以為的真實其實是錯覺：從卡魯薩‧克萊恩奇蹟到卡拉比‧丘流形 ─ 三度空間只是我們的錯覺﹝弦論五﹞）？先別否定得太早，這東西有可能是真的。這回事還沒完，後面的東西多得很，慢慢來瞭解。我看寫到什麼程度能還不使人抓狂則寫，不能寫就停。這概念已經讓我抓狂很久了。抓狂，因為太不可思議。不可思議不代表非真。要真的話首先得 make sense，其次要有證據。對前一個我們要問：「How's so？」，對後一個要說：「Show me」。接下來讓我們看看物理大師們如何思議，怎樣使全像宇宙論 make sense。

一個小伏筆：如果全像宇宙屬真，宇宙內的萬事萬物包括你我只是三度空間假宇宙裡的幻像，而此幻像來自假宇宙邊界二度空間真實宇宙裡的 encoding 之投射，那麼如果該 encoding 係由某種超級電腦（譬如量子電腦）所營造而成，我們不就變成像電影「駭客任務」（Matrix）裡衣著光鮮的角色們，生活在一個自以為真的世界中嗎？有沒有辦法判別我們是否「真實」？聰明無比的科學家們的答覆是：「有的」。請待下回分解。