超大質(zhì)量黑洞藝術(shù)想像圖。黑洞充滿了悖論，但是一種新的理論觀點(diǎn)認(rèn)為，假如承認(rèn)空間和空間在微觀尺度上的瓦解，問題便可以得到解決。圖片來源：ESO/M. Kornmesser
我們對(duì)138億年的宇宙史已經(jīng)有所了解；但是不管我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)增加多少，總有那么一些問題難以解決。其中有一個(gè)常被人提及，即在宏觀物理——廣義相對(duì)論，與微觀物理——量子力學(xué)之間，還沒有辦法建立起聯(lián)系。而且，一個(gè)粒子，在落入黑洞后，它本身所攜帶的信息何去何從？它的命運(yùn)究竟如何？仍無人知曉。最近，有學(xué)者提出了一種針對(duì)基礎(chǔ)物理的新解釋，試圖回答這些謎題，它的斷言非常大膽：在一定尺度之下，空間和時(shí)間并不存在。
先讓我們說點(diǎn)題外話。感謝愛因斯坦的狹義相對(duì)論，讓我們得以承認(rèn)，對(duì)所有觀察者來說，光速是恒定的。我們也同意，只要我們不是光子，那么當(dāng)我們的速度接近光速時(shí)，一些時(shí)髦的法則便會(huì)生效——換而言之，所有看著你的人，都會(huì)發(fā)現(xiàn)你的長(zhǎng)度變短了，而你的表也會(huì)變慢。
但是根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)間的變慢，也會(huì)在擁有強(qiáng)大引力的物體附近發(fā)生。因此，假如你有幸到銀河系中心觀光，并令人遺憾地做出了錯(cuò)誤的決定，使你離那個(gè)超大質(zhì)量黑洞的視界太近（說得不好聽點(diǎn)，那就叫不歸路），所有的旁觀者都會(huì)發(fā)現(xiàn)你的手表變慢了。而事實(shí)上，他，或她所看到的，將是極為戲劇化的一幕，你會(huì)在一段無限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，越來越慢地朝著視界移動(dòng)；也就是說，在你這位傷心的朋友眼中，你將永遠(yuǎn)跨不過視界。但是你本人卻可以在絲毫感覺不到異樣的情況下，穿越這道無形的屏障，直到被黑洞巨大的引力拉扯成“意大利面條”為止。
那么，誰才是“正確”的？相對(duì)論認(rèn)為，無論是誰的視角，都是同等有效的；但是在這種情況下，這二者不可能同時(shí)成立。因?yàn)槟悴豢赡芩涝诤诙蠢?，而同時(shí)又沒有死。（注：這不是嚴(yán)格意義上的悖論，但是直覺上還是會(huì)讓人感覺不舒服。）
此外還有一個(gè)更大的問題。黑洞的視界會(huì)發(fā)出“霍金輻射”，這是一種逃逸的能量，它最終會(huì)將黑洞蒸發(fā)掉，同時(shí)也會(huì)將黑洞內(nèi)的所有物質(zhì)和能量毀掉。這是個(gè)讓所有黑洞物理學(xué)家都撓頭的概念。因?yàn)楦鶕?jù)物理定律，所有與粒子或系統(tǒng)有關(guān)的固有信息（也就是量子波函數(shù)）必須被保留。它們不可能就這么不見了。
劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金博士，旁邊的圖片中是一個(gè)黑洞，以及正在產(chǎn)生霍金輻射的黑洞視界。目前他仍在致力于發(fā)展灰色物質(zhì)理論，以圖解開宇宙之謎。而與此同時(shí)，其他學(xué)者也在嘗試確認(rèn)他的現(xiàn)有理論。（照片：BBC，插畫：T.Reyes）
為什么會(huì)有這么多奇怪的悖論？這是因?yàn)?，黑洞在物理學(xué)上處于一個(gè)界限不清的位置，奇點(diǎn)和廣義相對(duì)論在那里發(fā)生了遭遇——這是一塊肥沃的處女地，未來的萬物理論會(huì)在此生根、發(fā)芽。
再介紹兩個(gè)好玩但有爭(zhēng)議的概念：雙重狹義相對(duì)論、引力彩虹。
就像狹義相對(duì)論中的光速一樣，在雙重狹義相對(duì)論中，普朗克能量也是個(gè)被承認(rèn)的統(tǒng)一常量。在雙重狹義相對(duì)論中，普朗克能量的值（1.22 x 10^19 GeV（單位：10億電子伏））是宇宙中單一粒子所能夠具有的最高能量（因此，也是最大質(zhì)量）。
雙重狹義相對(duì)論的最大能量值，帶來了兩個(gè)重要的結(jié)果，即時(shí)間和空間都有一個(gè)最小單位。也就是說，無論你在運(yùn)動(dòng)還是保持靜止，無論你是在真空中還是在黑洞附近，傳統(tǒng)意義上的空間在小于普朗克長(zhǎng)度（1.6 x 10^-35米）的距離上不再存在，傳統(tǒng)意義上的時(shí)間也會(huì)因那一剎那短于普朗克時(shí)間（5.4 x 10^-44秒）而消失。
換句話說，時(shí)空并不是連續(xù)的。它由一種不可分割的最小單位組成（是極端微小的）。以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，以經(jīng)典物理為上層。用廣義相對(duì)論來統(tǒng)領(lǐng)全局，這就是引力彩虹。
物理學(xué)家Ahmed Farag Ali、Mir Faizal和Barun Majumder認(rèn)為，這些理論能夠用來解釋前面提到的黑洞之謎——無論是意大利面條化，還是信息悖論。為什么呢？這是因?yàn)椋鶕?jù)雙重狹義相對(duì)論和引力彩虹，當(dāng)空間小于1.6 x 10^-35米，時(shí)間短于5.4 x 10^-44秒時(shí)……我們所知的宇宙不再存在。
“在引力彩虹中，空間在某個(gè)最小尺度以下是不存在的，時(shí)間在某個(gè)最小間隔以下也是不存在的，”Ali解釋道。他和Faizal、Majumder就此共著的論文已于上個(gè)月出版。“因此，所有存在于空間中的物體，和所有發(fā)生在時(shí)間中的事件，在那個(gè)（與普朗克尺度有關(guān)的）長(zhǎng)度和間隔之下是不存在的?！?/p>
很幸運(yùn)，我們所知的每個(gè)粒子，以及構(gòu)成我們身體的每個(gè)粒子，都要比這個(gè)普朗克長(zhǎng)度長(zhǎng)得多，也都要比普朗克時(shí)間持久得多。所以，哈，你、我，以及我們所見、所知的萬物才得以存在。（只要?jiǎng)e過份地深究就行。）
然而，黑洞的視界完全不同。畢竟，視界不是由粒子組成的。它是純粹的時(shí)空。根據(jù)Ali和他同事的觀點(diǎn)，假如你用極短的時(shí)間和極小的距離尺度來觀測(cè)它，它就不再有意義了。它不再是有去無回的臨界點(diǎn)。在他們的觀點(diǎn)里，悖論只會(huì)在你把時(shí)空當(dāng)成是連續(xù)的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)——也就是說當(dāng)你沒把它當(dāng)成是由最小的長(zhǎng)度和間隔單位構(gòu)成的時(shí)候。
“由于信息悖論依賴于視界的存在，而視界和其他所有物體一樣，在最小的長(zhǎng)度和間隔下并不存在，因此在引力彩虹里，并不存在絕對(duì)的信息悖論。沒有了能夠起作用的臨界點(diǎn)，其實(shí)就意味著沒有什么能夠阻止信息從黑洞內(nèi)流出，”Ali總結(jié)道。
視界不存在，因此也就沒有了信息悖論。
那黑洞里的“意大利面條化”呢？這也同樣取決于分析處境時(shí)所用的尺度。在引力彩虹里，時(shí)空不是連續(xù)的；運(yùn)算結(jié)果表明，你（掉進(jìn)黑洞的在劫難逃者）和觀察你的人都將目睹你在一段有限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)逐漸死去。但是在當(dāng)前的廣義相對(duì)論方程中，時(shí)空是連續(xù)的，因此悖論才會(huì)出現(xiàn)。對(duì)于掉進(jìn)去的人來說，他看到的是自己掉進(jìn)黑洞；而同時(shí)，觀察者卻永遠(yuǎn)看不到他跨越視界的那一刻。
“在這篇論文中，我們可以學(xué)到重要一課，也就是時(shí)空僅在某一特定尺度之上才會(huì)存在，”Ali說?！霸诖顺叨戎?，時(shí)空和空間不存在。用它來定義粒子、物質(zhì)，或其他物體，都是沒有意義的，也包括黑洞在內(nèi)，它是存在于比那個(gè)尺度小的空間、時(shí)間內(nèi)的。因此，如果把問題的范圍限定在空間、時(shí)間都能夠存在的尺度上，我們就可以得到合理的答案。而當(dāng)我們?cè)噲D回答長(zhǎng)度和間隔都小于這個(gè)尺度的問題時(shí)，各種悖論和疑問就產(chǎn)生了?！?/p>
總結(jié)如下：如果時(shí)空在小尺度上是連續(xù)的，悖論就會(huì)存在。如果引力彩虹是正確的，而且普朗克長(zhǎng)度和普朗克時(shí)間的確是空間和時(shí)間存在的最小基本單位，那問題就解決了……至少，從數(shù)學(xué)的角度來看是這樣的。不幸的是，普朗克尺度太小了，現(xiàn)代粒子對(duì)撞機(jī)還沒有辦法對(duì)此進(jìn)行探測(cè)。但是這至少又為我們提供了一種純理論的研究成果。
該論文發(fā)表在2015年1月23日的《歐洲物理學(xué)快報(bào)》上。
作者：Vanessa Janek
翻譯：老孫
聯(lián)系客服
