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認為，假如承認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138億年的宇宙史已經(jīng)有所了解；但是不管我們對宇宙的認識增加多少，總有那么一些問題難以解決。其中有一個常被人提及，即在宏觀物理——廣義相對論，與微觀物理——量子力學之間，還沒有辦法建立起聯(lián)系。而且，一個粒子，在落入黑洞后，它本身所攜帶的信息何去何從？它的命運究竟如何？仍無人知曉。最近，有學者提出了一種針對基礎(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，空間和時間并不存在。
先讓我們說點題外話。感謝愛因斯坦的狹義相對論，讓我們得以承認，對所有觀察者來說，光速是恒定的。我們也同意，只要我們不是光子，那么當我們的速度接近光速時，一些時髦的法則便會生效——換而言之，所有看著你的人，都會發(fā)現(xiàn)你的長度變短了，而你的表也會變慢。
但是根據(jù)廣義相對論，時間的變慢，也會在擁有強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誤的決定，使你離那個超大質(zhì)量黑洞的視界太近（說得不好聽點，那就叫不歸路），所有的旁觀者都會發(fā)現(xiàn)你的手表變慢了。而事實上，他，或她所看到的，將是極為戲劇化的一幕，你會在一段無限長的時間內(nèi)，越來越慢地朝著視界移動；也就是說，在你這位傷心的朋友眼中，你將永遠跨不過視界。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？相對論認為，無論是誰的視角，都是同等有效的；但是在這種情況下，這二者不可能同時成立。因為你不可能死在黑洞里，而同時又沒有死。（注：這不是嚴格意義上的悖論，但是直覺上還是會讓人感覺不舒服。）
此外還有一個更大的問題。黑洞的視界會發(fā)出“霍金輻射”，這是一種逃逸的能量，它最終會將黑洞蒸發(fā)掉，同時也會將黑洞內(nèi)的所有物質(zhì)和能量毀掉。這是個讓所有黑洞物理學家都撓頭的概念。因為根據(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。
劍橋大學的斯蒂芬·霍金博士，旁邊的圖片中是一個黑洞，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，其他學者也在嘗試確認他的現(xiàn)有理論。（照片：BBC，插畫：T.Reyes）
為什么會有這么多奇怪的悖論？這是因為，黑洞在物理學上處于一個界限不清的位置，奇點和廣義相對論在那里發(fā)生了遭遇——這是一塊肥沃的處女地，未來的萬物理論會在此生根、發(fā)芽。
再介紹兩個好玩但有爭議的概念：雙重狹義相對論、引力彩虹。
就像狹義相對論中的光速一樣，在雙重狹義相對論中，普朗克能量也是個被承認的統(tǒng)一常量。在雙重狹義相對論中，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）。
雙重狹義相對論的最大能量值，帶來了兩個重要的結(jié)果，即時間和空間都有一個最小單位。也就是說，無論你在運動還是保持靜止，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度（1.6 x 10^-35米）的距離上不再存在，傳統(tǒng)意義上的時間也會因那一剎那短于普朗克時間（5.4 x 10^-44秒）而消失。
換句話說，時空并不是連續(xù)的。它由一種不可分割的最小單位組成（是極端微小的）。以量子力學為基礎(chǔ)，以經(jīng)典物理為上層。用廣義相對論來統(tǒng)領(lǐng)全局，這就是引力彩虹。
物理學家Ahmed Farag Ali、Mir Faizal和Barun Majumder認為，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？這是因為，根據(jù)雙重狹義相對論和引力彩虹，當空間小于1.6 x 10^-35米，時間短于5.4 x 10^-44秒時……我們所知的宇宙不再存在。
“在引力彩虹中，空間在某個最小尺度以下是不存在的，時間在某個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月出版。“因此，所有存在于空間中的物體，和所有發(fā)生在時間中的事件，在那個（與普朗克尺度有關(guān)的）長度和間隔之下是不存在的?！?/p>
很幸運，我們所知的每個粒子，以及構(gòu)成我們身體的每個粒子，都要比這個普朗克長度長得多，也都要比普朗克時間持久得多。所以，哈，你、我，以及我們所見、所知的萬物才得以存在。（只要別過份地深究就行。）
然而，黑洞的視界完全不同。畢竟，視界不是由粒子組成的。它是純粹的時空。根據(jù)Ali和他同事的觀點，假如你用極短的時間和極小的距離尺度來觀測它，它就不再有意義了。它不再是有去無回的臨界點。在他們的觀點里，悖論只會在你把時空當成是連續(xù)的時候才會出現(xiàn)——也就是說當你沒把它當成是由最小的長度和間隔單位構(gòu)成的時候。
“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，在最小的長度和間隔下并不存在，因此在引力彩虹里，并不存在絕對的信息悖論。沒有了能夠起作用的臨界點，其實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所用的尺度。在引力彩虹里，時空不是連續(xù)的；運算結(jié)果表明，你（掉進黑洞的在劫難逃者）和觀察你的人都將目睹你在一段有限長的時間內(nèi)逐漸死去。但是在當前的廣義相對論方程中，時空是連續(xù)的，因此悖論才會出現(xiàn)。對于掉進去的人來說，他看到的是自己掉進黑洞；而同時，觀察者卻永遠看不到他跨越視界的那一刻。
“在這篇論文中，我們可以學到重要一課，也就是時空僅在某一特定尺度之上才會存在，”Ali說?！霸诖顺叨戎?，時空和空間不存在。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)，它是存在于比那個尺度小的空間、時間內(nèi)的。因此，如果把問題的范圍限定在空間、時間都能夠存在的尺度上，我們就可以得到合理的答案。而當我們試圖回答長度和間隔都小于這個尺度的問題時，各種悖論和疑問就產(chǎn)生了?！?/p>
總結(jié)如下：如果時空在小尺度上是連續(xù)的，悖論就會存在。如果引力彩虹是正確的，而且普朗克長度和普朗克時間的確是空間和時間存在的最小基本單位，那問題就解決了……至少，從數(shù)學的角度來看是這樣的。不幸的是，普朗克尺度太小了，現(xiàn)代粒子對撞機還沒有辦法對此進行探測。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《歐洲物理學快報》上。
作者：Vanessa Janek
翻譯：老孫
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