1965年，一位粒子物理學家推導出了一個(ge) 關(guan) 於(yu) 基本粒子碰撞的公式。二十年後，兩(liang) 位引力理論物理學家使用完全不同的技術，推導出了恒星及黑洞碰撞的公式。令人驚奇的是，這兩(liang) 個(ge) 公式竟然是一樣的。它們(men) 之間唯一的區別在於(yu) ，前者使用小寫(xie) 的”p”表示動量，而後者使用的是大寫(xie) 的”P”。

　　2014年哈佛大學的理論物理學家安德魯·斯特魯明格，發現了這兩(liang) 個(ge) 公式地共同之處。它們(men) 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(men) 一直在探究，它們(men) 將如何為(wei) 統一物理定律提供新的、不尋常的途徑。相較於(yu) 物理學家們(men) 傳(chuan) 統上關(guan) 注的小尺度行為(wei) ，這些作用力的大尺度行為(wei) 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70年代提出的，關(guan) 於(yu) 物體(ti) 被黑洞吞噬後其信息的命運。

安迪·斯特魯明格。很多物理學家並不相信狹義(yi) 相對論中被稱為(wei) “超平移”的其他對稱性，安迪·斯特魯明格說，“而且他們(men) 一直在想辦法殺掉它。”| 圖片來源：nautil.us

　　狹義(yi) 相對論具體(ti) 描述了，對於(yu) 以恒定速度相對運動的不同觀察者，他們(men) 對物體(ti) 的長度和事件之間的時間差的測量如何會(hui) 產(chan) 生不同結果。廣義(yi) 相對論則把這個(ge) 原理推廣到了觀察者以變速運動的情況。它描繪了時間和空間如何編織成彎曲的四維時空織物，圍繞在大質量物體(ti) 旁邊。教科書(shu) 告訴你，當你足夠遠離——理想情況下，無限遠離——一個(ge) 行星、恒星或者其他產(chan) 生引力的物體(ti) 時，廣義(yi) 相對論會(hui) 回到狹義(yi) 相對論。在那裏，引力漸漸褪至虛空，通常彎曲易變的連續時空會(hui) 變成冷冰冰的硬實框架。因為(wei) 引力隨著距離減弱，行星和恒星幾乎是彼此無關(guan) 的。在我們(men) 的太陽係內(nei) 發生的事情也幾乎不取決(jue) 於(yu) 銀河係其餘(yu) 的部分。

　　經過仔細研究後，研究人員發現，即使他們(men) 去掉了引力，時空仍然保持著彎曲多變，而不是變得嚴(yan) 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。遙遠的行星和恒星根本就不是毫無關(guan) 係的。即使在距離非常非常遙遠的地方，廣義(yi) 相對論也不會(hui) 回到狹義(yi) 相對論。

　　在如此遙遠的距離，時空所具有的不僅(jin) 僅(jin) 是狹義(yi) 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(men) 是依賴於(yu) 角度的平移，使得距離引力體(ti) 無窮遠的點相聯係。這些豐(feng) 富的對稱性構成了BMS群，它們(men) 使空無一物的時空潛藏巨大的複雜性。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(ge) 簡單的解釋。很多物理學家覺得超平移令人困惑，並貶低其重要性和它對廣義(yi) 相對論的意義(yi) 。

　　但在最近幾年，斯特魯明格闡明了究竟什麽(me) 是超平移。粒子物理學裏麵一個(ge) 看上去毫無關(guan) 係，但也同樣令人費解的謎團啟發了他。上世紀30年代，物理學家計算發現，如果兩(liang) 個(ge) 零能量的光子碰撞，那麽(me) 得到特定結果的概率與(yu) 產(chan) 生的粒子數量以及其他細節無關(guan) 。物理學家後來發現，這個(ge) 結果對包括引力子內(nei) 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(wei) 當作量子場論的固有特征，其具有數學定理的效力，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(wei) 與(yu) BMS群聯係起來時，斯特魯明格發現了超平移的具體(ti) 含義(yi) ：超平移往時空中添加軟粒子。

　　科學家的理解反過來也為(wei) 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物體(ti) 的引力作用？斯特魯明格意識到，如果真空具有多種形式，那麽(me) 當什麽(me) 東(dong) 西穿過它時，它將會(hui) 保留幾乎是難以查照的印記。

　　物理學家們(men) 仍在尋找證據，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”。將時空當作是晶體(ti) 的圖像，記憶效應是很有道理的。引力波掠過時空就像晶體(ti) 中的位錯、晶格的偏移。”據哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的研究者估算，這個(ge) 位移的大小大約是引力波震蕩幅度的5%，並且可能被未來的LIGO項目探測到。其他的實驗學家計劃去尋找電磁力和核力中類似的記憶效應。

　　記憶效應的原理甚至可能解決(jue) 霍金在上世紀七十年代發現的黑洞信息悖論。在通常的分析中，黑洞是極為(wei) 健忘的。對於(yu) 落入其中的物體(ti) ，黑洞隻會(hui) 記住它們(men) 的質量、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，直到最終蒸發殆盡。被吞噬之物的更精細的信息卻丟(diu) 失了，並假定已被銷毀。

　　悖論之處在於(yu) ，物理學中本不應該有如此徹底的失憶。但在2016年，斯特魯明格與(yu) 霍金以及劍橋大學的理論物理學家馬爾科姆·佩裏提出，廣義(yi) 相對論的真空或許能提供一個(ge) 記憶矩陣來保存宇宙中的這些信息，使其不會(hui) 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；在它蒸發殆盡之後，這片區域再一次回歸空無。但這已經不是相同的空無了。

　　這個(ge) 理論原則上說得通，但對於(yu) 一些物理學家來說，信息到底是怎麽(me) 從(cong) 黑洞裏逃出來這件事還是太粗略了。不過，不管最終答案是什麽(me) 樣子，更好地理解廣義(yi) 相對論當然會(hui) 幫助物理學家發展出沒有悖論的後繼理論。現在他們(men) 已經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(cong) 更基礎的係統演生出來的方式。



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