1965年，一位粒子物理學(xué)家推導(dǎo)出了一個(gè)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(gè)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(xiě)的”p”表示動(dòng)量，而后者使用的是大寫(xiě)的”P(pán)”。

　　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(gè)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(lái)了同樣多的驚喜。這種方法也同樣開(kāi)啟了一條新路線(xiàn)，來(lái)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(duì)論中被稱(chēng)為“超平移”的其他對(duì)稱(chēng)性，安迪·斯特魯明格說(shuō)，“而且他們一直在想辦法殺掉它?！眧 圖片來(lái)源：nautil.us

　　狹義相對(duì)論具體描述了，對(duì)于以恒定速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不同觀察者，他們對(duì)物體的長(zhǎng)度和事件之間的時(shí)間差的測(cè)量如何會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果。廣義相對(duì)論則把這個(gè)原理推廣到了觀察者以變速運(yùn)動(dòng)的情況。它描繪了時(shí)間和空間如何編織成彎曲的四維時(shí)空織物，圍繞在大質(zhì)量物體旁邊。教科書(shū)告訴你，當(dāng)你足夠遠(yuǎn)離——理想情況下，無(wú)限遠(yuǎn)離——一個(gè)行星、恒星或者其他產(chǎn)生引力的物體時(shí)，廣義相對(duì)論會(huì)回到狹義相對(duì)論。在那里，引力漸漸褪至虛空，通常彎曲易變的連續(xù)時(shí)空會(huì)變成冷冰冰的硬實(shí)框架。因?yàn)橐﹄S著距離減弱，行星和恒星幾乎是彼此無(wú)關(guān)的。在我們的太陽(yáng)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(guò)仔細(xì)研究后，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使他們?nèi)サ袅艘?，時(shí)空仍然保持著彎曲多變，而不是變得嚴(yán)格平直。換句話(huà)說(shuō)，即使沒(méi)有引力的時(shí)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(wú)關(guān)系的。即使在距離非常非常遙遠(yuǎn)的地方，廣義相對(duì)論也不會(huì)回到狹義相對(duì)論。

　　在如此遙遠(yuǎn)的距離，時(shí)空所具有的不僅僅是狹義相對(duì)論的那些對(duì)稱(chēng)性，還有無(wú)窮多種其他對(duì)稱(chēng)性，也就是所謂的“超平移”。它們是依賴(lài)于角度的平移，使得距離引力體無(wú)窮遠(yuǎn)的點(diǎn)相聯(lián)系。這些豐富的對(duì)稱(chēng)性構(gòu)成了BMS群，它們使空無(wú)一物的時(shí)空潛藏巨大的復(fù)雜性。簡(jiǎn)單來(lái)講，時(shí)空有無(wú)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(lái)都沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋。很多物理學(xué)家覺(jué)得超平移令人困惑，并貶低其重要性和它對(duì)廣義相對(duì)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(gè)看上去毫無(wú)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果兩個(gè)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(wú)關(guān)。物理學(xué)家后來(lái)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)結(jié)果對(duì)包括引力子內(nèi)的其他粒子也成立。實(shí)際上，低能粒子看起來(lái)都差不多。

　　很多研究者把軟粒子的這種行為當(dāng)作量子場(chǎng)論的固有特征，其具有數(shù)學(xué)定理的效力，因而無(wú)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(lái)時(shí)，斯特魯明格發(fā)現(xiàn)了超平移的具體含義：超平移往時(shí)空中添加軟粒子。

　　科學(xué)家的理解反過(guò)來(lái)也為以下問(wèn)題提供了更清晰的圖像，即看上去空空如也的時(shí)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(shí)到，如果真空具有多種形式，那么當(dāng)什么東西穿過(guò)它時(shí)，它將會(huì)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(cè)那些或許很快能在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到的、引力留下的“記憶效應(yīng)”。將時(shí)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(guò)時(shí)空就像晶體中的位錯(cuò)、晶格的偏移?！睋?jù)哥倫比亞大學(xué)的研究者估算，這個(gè)位移的大小大約是引力波震蕩幅度的5%，并且可能被未來(lái)的LIGO項(xiàng)目探測(cè)到。其他的實(shí)驗(yàn)學(xué)家計(jì)劃去尋找電磁力和核力中類(lèi)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(duì)于落入其中的物體，黑洞只會(huì)記住它們的質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷。隨著時(shí)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(xiāo)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(duì)論的真空或許能提供一個(gè)記憶矩陣來(lái)保存宇宙中的這些信息，使其不會(huì)隨著黑洞的滅亡而消失。黑洞在一片空無(wú)一物的時(shí)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(wú)。但這已經(jīng)不是相同的空無(wú)了。

　　這個(gè)理論原則上說(shuō)得通，但對(duì)于一些物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，信息到底是怎么從黑洞里逃出來(lái)這件事還是太粗略了。不過(guò)，不管最終答案是什么樣子，更好地理解廣義相對(duì)論當(dāng)然會(huì)幫助物理學(xué)家發(fā)展出沒(méi)有悖論的后繼理論?，F(xiàn)在他們已經(jīng)完成了對(duì)時(shí)空對(duì)稱(chēng)性的分類(lèi)，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(lái)的方式。



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