黑洞里的大象到底去哪了？

一只年夜象不幸失落進了黑洞。更不幸的是，黑洞蒸發清潔了，年夜象也不見了蹤影。信息不是不滅的嗎？那么年夜象所含的信息怎么會無緣無故地消逝了呢？

黑洞里的年夜象掉蹤了

黑洞是個吞噬一切的宇宙怪物，它們是一些我們看不見的天體，只要外界的物質落入它們的勢力規模（科學上把這個規模的鴻溝叫做“黑洞視界”），就再也別想跑到黑洞之外，即使是宇宙中奔馳速度最快的工具——光，也不克不及逃走黑洞龐大引力的束厄局促。

黑洞的蠻橫讓人顫栗，不外它們究竟結果距離地球很遠，所以我們地球人仍是很平安的。只是自從20宿世紀70年月以來，黑洞設下了一道難題，讓科學家頭疼了幾十年。阿誰時辰，英國聞名天文學家斯蒂芬?霍金從理論上證實，黑洞其實也不是完全只吃不吐，它也會標的目的外輻射能量，這就是所謂的黑洞蒸發。只是黑洞蒸發的速度驚人得慢，一個年夜一點兒的黑洞要很多很多億年才能蒸發清潔。

問題來了，非論黑洞蒸發速度有多慢，它總會有蒸發清潔的一天，最后一丁點兒的工具都不剩。那么，假設曾經有一只年夜象不幸落入了黑洞之中，再也沒能跑出來，在黑洞蒸發清潔的時辰，那這只年夜象所含的信息去哪里了？

這其實是個很是嚴厲的理論問題。因為按照描述微不雅宿世界的量子理論，宇宙中的信息是不會憑空消逝的，年夜象的質量、外形、布局等特征，就是年夜象的信息。就算年夜象死失落了，本來的信息轉換當作了新的信息，好比腐臭的象肉、腐臭的氣息，但總歸信息是不會丟掉的。可是按照黑洞理論，年夜象攜帶著本身的信息落入了黑洞，而黑洞蒸發之后，這些信息居然不見了，這就違反了量子理論。

并且，這只年夜象也不成能在黑洞還沒蒸發完的時辰，從黑洞里偷偷溜出來，不然，它將違反愛因斯坦的廣義相對論，因為按照廣義相對論，宇宙中任何物體的速度都不克不及跨越光速，年夜象當然也不克不及超光速奔馳，是以它沒有跑出黑洞之外的可能。

這就是黑洞信息丟掉謎團，它標的目的我們展示了今朝物理學的兩年夜理論——研究宏不雅宿世界的廣義相對論和研究微不雅宿世界的量子理論——之間的深刻矛盾。從黑洞中憑空消逝的年夜象告訴我們，要么廣義相對論有問題，年夜象所含的的信息能從黑洞跑出來；要么量子理論有問題，信息是可以憑空消逝的；要么，兩者可能都有問題。

我們看到的并不是時空

科學家今朝正致力于把廣義相對論和量子理論同一在一路，形當作一個能詮釋萬物紀律的“年夜同一理論”，一個能詮釋年夜象去哪里了的理論。

加拿年夜物理學家斯莫林一向致力于年夜同一理論的研究，并且比來，他獲得一些有趣的發現，好比他提出，時空可能底子不是我們曩昔所認為的那樣，恰是對時空的錯誤熟悉，讓我們無法詮釋黑洞中的年夜象去了哪里。

持久以來，人們曾經認為，時候是時候，空間是空間，兩者各自自力，沒有什么聯系。直到愛因斯坦的相對論提出來，人們才熟悉到，時候和空間其實是密不成分的，兩者配合組成了我們四周的時空。從維度上講，時候是一維的，空間是三維的，是以時空是四維的。有質量的物體味引起四周時空的彎曲，但不管如何，宇宙其他角落的聰明生命和我們都處于性質不異的四維時空之中。

可是，斯莫林發問了，我們不雅察一下四周，看獲得時候和空間嗎？好比我們籌算看一下此刻幾點了，當我們看手表的時辰，從手表反射過來的光子擊中了我們的視網膜。真正觸動我們視網膜的工具，是這些光子的能量和動量，按照光子的這些信息，我們的年夜腦闡發出了手表所顯示的時候。

所以，我們并沒有看到時候和空間，換句話說我們沒看到四維時空。那我們看到的是什么呢？

另一種空間！這是由能量和動量所構成的空間，這個空間在物理學上叫做——動量空間。與四維時空近似，動量空間也是四維的，此中的一維是能量，而別的三維，是動量的三個分量。

概況看起來，科學家構建出來的動量空間似乎只是個數學游戲罷了，四維時空已經很好地詮釋了宏不雅宿世界，我們再構建個動量空間，似乎沒有需要。但其其實某些方面，動量空間比四維時空顯得加倍真實。

好比在粒子對撞機中，粒子們高速地相撞，釀成其他一些粒子，涉及到能量和動量的轉換；我們操縱天文千里鏡不雅察遙遠的天體，現實上我們不雅察到的不外是光子的能量和動量這類信息。至少從這些不雅察上講，非論宏不雅宿世界仍是微不雅宿世界，我們也許并不是糊口在時候和空間中，而是糊口在由能量和動量組成的動量空間里。

更令人深思的是，早在1938年，德國物理學家馬克斯?玻恩就發現，非論是用時空坐標系仍是動量空間坐標系，量子理論的幾個關頭方程的表達都是一樣的。于是玻恩猜想，人們可否經由過程這種聯系，把描述宏不雅時空的廣義相對論和描述微不雅粒子動量和能量的量子力學同一起來呢？

誰也別想知道年夜象去哪兒了

玻恩那時還猜想，既然愛因斯坦的四維時空可以或許被恒星、星系的質量所彎曲，那么動量空間也應該會被某些事物所彎曲。

若是動量空間是彎曲的，并且它是真實存在于我們四周的，會對我們的糊口有什么影響呢？斯莫林發現，彎曲的動量空間將底子性地批改愛因斯坦告訴我們的宇宙不雅。

在廣義相對論中，宇宙遍地的不雅察者都處于不異的四維時空中，他們不雅察某個星體的位置時，不會有什么地址上的歧異。可是在動量空間中，環境完全分歧。例如，若是一顆超新星距離你有100億光年遠，這顆超新星發出的光的能量年夜約是100億電子伏特，那么你測量這個星體在時空中的位置，若是超新星四周也有一個不雅察者測量了這個星體的位置，你們兩人獲得的位置是紛歧致的，相差1光秒，即光跑1秒的距離（30萬千米）。也就是說，若是你和阿誰不雅察者交流一下超新星的位置，他會感覺你給出的超新星的位置有30萬千米的誤差。

這就是說，在彎曲的動量空間中，星體的位置其實并不是固心猿意馬的，而是要取決于不雅察者站在什么位置，斯莫林把這個現象稱為星體具有“相對地址”。

一個不雅察者對四周時空的測量成果，和另一個不雅察者是紛歧樣的，并且從理論上講，兩個不雅察者的距離越遠，測量成果不同就越年夜；或者兩個不雅察者在測量時的時候差距越年夜，測量成果的不同也就越年夜。

相對地址的概念可以很好地詮釋黑洞中的年夜象為什么掉蹤了。假設在年夜象不幸落入了黑洞的時辰，我們看到了這悲涼的一幕。然后我們守候在黑洞旁邊，顛末了很多億年之后，黑洞蒸發清潔了，此時我們不雅察不到年夜象了。那么，當我們回溯年夜象落入黑洞的那一刻時，按照動量空間的性質，那時年夜象所處的地址已經變得不確定了，因為作為不雅察者的我們，那時和此時是紛歧樣的。所以，在黑洞蒸發完畢的時辰，我們竟然無法判定，年夜象昔時是否真的落入了黑洞之中，仍是與黑洞當面錯過，幸運地逃走了黑洞的魔爪。

于是，所謂的黑洞信息丟掉、年夜象掉蹤的謎團，就如許臨時解決了。簡單地說，年夜象的位置取決于不雅察者，它呈現的位置是會改變的！

相對地址給我們腦筋中的宿世界面孔以重重的一擊。若是我們四周的時空也是取決于不雅察者的，也是轉變的，你看到的時空和我看到的時空并不是一致的，那么真實宿世界到底是什么呢？動量空間才是宇宙的“年夜布景”，天體和粒子在此中馳騁嗎？

我們的宇宙可能是8維的

斯莫林認為，宇宙并不是虛無縹緲的，應該存在一個不變的、絕對的時空，年夜到天體、小到粒子的各類物質，都是這個時空中的“居平易近”，那頭在黑洞中掉蹤的年夜象，也是這個時空的居平易近。

這個不變的時空，應該是我們已經知曉的四維時空和動量空間的連系，它可能有8個維度，包含了時候、位置、動量、能量等各類特征。四維時空和動量空間只是這個8維時空“硬幣”的兩個面，斯莫林把這種設想中的時空叫做“相空間”，它才是我們所處的宇宙的真正“年夜布景”。

愛因斯坦的相對論也好，今朝的量子理論也好，都只是對這個更高維度的相空間的部門描述。相空間把本來割裂的時空、能量、動量都同一了起來，若是科學家可以或許找到適合描述相空間的理論，這個理論應該就是年夜同一理論。

是以，那頭年夜象所含的信息固然在黑洞蒸發時消逝了，但它僅僅是在四維時空中消逝了，并沒有在8維時空中消逝，它所包含的信息依然存在于宇宙之中，只是我們從四維時空的角度不雅察不到了罷了。

給新的時空一個證實

相空間是真實的嗎？相對論已經證實了四維時空的存在，接下來科學家的使命是證實動量空間的存在。

我們知道，質量會造當作四維時空的彎曲，斯莫林認為，同樣具有四個維度的動量空間，也會因為某種原因，而發生彎曲。若是動量空間是彎曲的，就會在宇宙中制造出一些有趣的現象，好比它會對宇宙中的伽馬射線暴發生影響。

伽馬射線暴是宇宙早期的年夜質量恒星在滅亡時發出的伽馬射線，往往在幾秒鐘內恒星釋放的能量就半斤八兩于幾百顆太陽平生釋放的能量。伽馬射線暴中既有高能光子，也有低能光子。若是動量空間是彎曲的，那么從理論上講，在統一次伽馬射線暴中，一個高能光子和一個低能光子同時發生，標的目的地球飛馳過來的話，低能光子將先達到，而高能光子會后達到。

2005年，天文學家第一次在千里鏡中不雅察到，一次伽馬射線暴發生的高能光子簡直比低能光子更晚達到地球；2008年美國發射升空的費米伽馬射線太空千里鏡也證實，確實存在這個現象。

可是，人們今朝并不清晰，高能光子遲到的現象簡直是彎曲的動量空間造當作的，仍是由伽馬射線暴自身的特征造當作的。假如伽馬射線暴是剎時爆發的，我們可以說高能光子和低能光子同時發生，那么兩者抵達地球的時候分歧，就可以證實彎曲的動量空間是存在的。

但伽馬射線暴也許先釋放出低能光子，在若干秒之后，才釋放出高能光子，于是兩者抵達地球的時候就發生了差別。如斯一來，彎曲的動量空間是否存在，就紛歧心猿意馬了。

解決方案仍是有的，那就是收集更多的、從分歧位置發生的伽馬射線暴的信息。若是高能光子遲到現象是伽馬射線暴自身特征發生的，好比先發生了低能光子，必然時候后又發生了高能光子，那么非論這些伽馬射線暴呈現的距離遠近，兩種光子達到地球的時候差就是不異的；若是遲到現象是彎曲的動量空間發生的，分歧伽馬射線暴的高能光子遲到的時候就會紛歧樣。天文學家正在做這方面的不雅測，以證實彎曲的動量空間是否存在。

愛因斯坦固然把時候和空間同一到了四維時空中，但持久以來，人們割裂地對待時空與能量、動量的關系。也許，下一次物理學革命正在開啟，時空與能量、動量也將被同一在相空間之下，我們的宇宙不雅將再次升華。

本文源自豪科技〈科學之謎〉雜志文章