1965年，一位粒子物理學(xué)家推導(dǎo)出了一個關(guān)于基本粒子碰撞的公式。二十年后，兩位引力理論物理學(xué)家使用完全不同的技術(shù)，推導(dǎo)出了恒星及黑洞碰撞的公式。令人驚奇的是，這兩個公式竟然是一樣的。它們之間唯一的區(qū)別在于，前者使用小寫的”p”表示動量，而后者使用的是大寫的”P”。

　　2014年哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家安德魯·斯特魯明格，發(fā)現(xiàn)了這兩個公式地共同之處。它們都考慮了引力和其他作用力在大尺度上的作用方式。斯特魯明格和他的合作者們一直在探究，它們將如何為統(tǒng)一物理定律提供新的、不尋常的途徑。相較于物理學(xué)家們傳統(tǒng)上關(guān)注的小尺度行為，這些作用力的大尺度行為也帶來了同樣多的驚喜。這種方法也同樣開啟了一條新路線，來攻克最早由霍金在上世紀(jì)70年代提出的，關(guān)于物體被黑洞吞噬后其信息的命運(yùn)。

安迪·斯特魯明格。很多物理學(xué)家并不相信狹義相對論中被稱為“超平移”的其他對稱性，安迪·斯特魯明格說，“而且他們一直在想辦法殺掉它?！眧 圖片來源：nautil.us

　　狹義相對論具體描述了，對于以恒定速度相對運(yùn)動的不同觀察者，他們對物體的長度和事件之間的時間差的測量如何會產(chǎn)生不同結(jié)果。廣義相對論則把這個原理推廣到了觀察者以變速運(yùn)動的情況。它描繪了時間和空間如何編織成彎曲的四維時空織物，圍繞在大質(zhì)量物體旁邊。教科書告訴你，當(dāng)你足夠遠(yuǎn)離——理想情況下，無限遠(yuǎn)離——一個行星、恒星或者其他產(chǎn)生引力的物體時，廣義相對論會回到狹義相對論。在那里，引力漸漸褪至虛空，通常彎曲易變的連續(xù)時空會變成冷冰冰的硬實框架。因為引力隨著距離減弱，行星和恒星幾乎是彼此無關(guān)的。在我們的太陽系內(nèi)發(fā)生的事情也幾乎不取決于銀河系其余的部分。

　　經(jīng)過仔細(xì)研究后，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使他們?nèi)サ袅艘Γ瑫r空仍然保持著彎曲多變，而不是變得嚴(yán)格平直。換句話說，即使沒有引力的時候，引力的作用依舊存在。遙遠(yuǎn)的行星和恒星根本就不是毫無關(guān)系的。即使在距離非常非常遙遠(yuǎn)的地方，廣義相對論也不會回到狹義相對論。

　　在如此遙遠(yuǎn)的距離，時空所具有的不僅僅是狹義相對論的那些對稱性，還有無窮多種其他對稱性，也就是所謂的“超平移”。它們是依賴于角度的平移，使得距離引力體無窮遠(yuǎn)的點相聯(lián)系。這些豐富的對稱性構(gòu)成了BMS群，它們使空無一物的時空潛藏巨大的復(fù)雜性。簡單來講，時空有無限種空的方式。超平移可不像“往右跨三步”那樣容易想象，而是好幾十年來都沒有一個簡單的解釋。很多物理學(xué)家覺得超平移令人困惑，并貶低其重要性和它對廣義相對論的意義。

　　但在最近幾年，斯特魯明格闡明了究竟什么是超平移。粒子物理學(xué)里面一個看上去毫無關(guān)系，但也同樣令人費(fèi)解的謎團(tuán)啟發(fā)了他。上世紀(jì)30年代，物理學(xué)家計算發(fā)現(xiàn)，如果兩個零能量的光子碰撞，那么得到特定結(jié)果的概率與產(chǎn)生的粒子數(shù)量以及其他細(xì)節(jié)無關(guān)。物理學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)，這個結(jié)果對包括引力子內(nèi)的其他粒子也成立。實際上，低能粒子看起來都差不多。

　　很多研究者把軟粒子的這種行為當(dāng)作量子場論的固有特征，其具有數(shù)學(xué)定理的效力，因而無需再尋求更深層次的解釋。然而，把零能粒子普遍具有的這種奇怪行為與BMS群聯(lián)系起來時，斯特魯明格發(fā)現(xiàn)了超平移的具體含義：超平移往時空中添加軟粒子。

　　科學(xué)家的理解反過來也為以下問題提供了更清晰的圖像，即看上去空空如也的時空究竟怎樣保留了遙遠(yuǎn)物體的引力作用？斯特魯明格意識到，如果真空具有多種形式，那么當(dāng)什么東西穿過它時，它將會保留幾乎是難以查照的印記。

　　物理學(xué)家們?nèi)栽趯ふ易C據(jù)，試圖觀測那些或許很快能在實驗室中觀測到的、引力留下的“記憶效應(yīng)”。將時空當(dāng)作是晶體的圖像，記憶效應(yīng)是很有道理的。引力波掠過時空就像晶體中的位錯、晶格的偏移?！睋?jù)哥倫比亞大學(xué)的研究者估算，這個位移的大小大約是引力波震蕩幅度的5%，并且可能被未來的LIGO項目探測到。其他的實驗學(xué)家計劃去尋找電磁力和核力中類似的記憶效應(yīng)。

　　記憶效應(yīng)的原理甚至可能解決霍金在上世紀(jì)七十年代發(fā)現(xiàn)的黑洞信息悖論。在通常的分析中，黑洞是極為健忘的。對于落入其中的物體，黑洞只會記住它們的質(zhì)量、角動量和電荷。隨著時間的推移，黑洞逐漸以霍金輻射的方式放出粒子，直到最終蒸發(fā)殆盡。被吞噬之物的更精細(xì)的信息卻丟失了，并假定已被銷毀。

　　悖論之處在于，物理學(xué)中本不應(yīng)該有如此徹底的失憶。但在2016年，斯特魯明格與霍金以及劍橋大學(xué)的理論物理學(xué)家馬爾科姆·佩里提出，廣義相對論的真空或許能提供一個記憶矩陣來保存宇宙中的這些信息，使其不會隨著黑洞的滅亡而消失。黑洞在一片空無一物的時空中形成；在它蒸發(fā)殆盡之后，這片區(qū)域再一次回歸空無。但這已經(jīng)不是相同的空無了。

　　這個理論原則上說得通，但對于一些物理學(xué)家來說，信息到底是怎么從黑洞里逃出來這件事還是太粗略了。不過，不管最終答案是什么樣子，更好地理解廣義相對論當(dāng)然會幫助物理學(xué)家發(fā)展出沒有悖論的后繼理論?，F(xiàn)在他們已經(jīng)完成了對時空對稱性的分類，斯特魯明格和其他人可以尋找它從更基礎(chǔ)的系統(tǒng)演生出來的方式。



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