1965年，一位粒子物理学家推导出了一个关于基本粒子碰撞的公式。二十年后，两位引力理论物理学家使用完全不同的技术，推导出了恒星及黑洞碰撞的公式。令人惊奇的是，这两个公式竟然是一样的。它们之间唯一的区别在于，前者使用小写的”p”表示动量，而后者使用的是大写的”P”。
2014年哈佛大学的理论物理学家安德鲁·斯特鲁明格，发现了这两个公式地共同之处。它们都考虑了引力和其他作用力在大尺度上的作用方式。斯特鲁明格和他的合作者们一直在探究，它们将如何为统一物理定律提供新的、不寻常的途径。相较于物理学家们传统上关注的小尺度行为，这些作用力的大尺度行为也带来了同样多的惊喜。这种方法也同样开启了一条新路线，来攻克最早由霍金在上世纪70年代提出的，关于物体被黑洞吞噬后其信息的命运。
安迪·斯特鲁明格。很多物理学家并不相信狭义相对论中被称为“超平移”的其他对称性，安迪·斯特鲁明格说，“而且他们一直在想办法杀掉它。”| 图片来源：nautil.us
狭义相对论具体描述了，对于以恒定速度相对运动的不同观察者，他们对物体的长度和事件之间的时间差的测量如何会产生不同结果。广义相对论则把这个原理推广到了观察者以变速运动的情况。它描绘了时间和空间如何编织成弯曲的四维时空织物，围绕在大质量物体旁边。教科书告诉你，当你足够远离——理想情况下，无限远离——一个行星、恒星或者其他产生引力的物体时，广义相对论会回到狭义相对论。在那里，引力渐渐褪至虚空，通常弯曲易变的连续时空会变成冷冰冰的硬实框架。因为引力随着距离减弱，行星和恒星几乎是彼此无关的。在我们的太阳系内发生的事情也几乎不取决于银河系其余的部分。
经过仔细研究后，研究人员发现，即使他们去掉了引力，时空仍然保持着弯曲多变，而不是变得严格平直。换句话说，即使没有引力的时候，引力的作用依旧存在。遥远的行星和恒星根本就不是毫无关系的。即使在距离非常非常遥远的地方，广义相对论也不会回到狭义相对论。
在如此遥远的距离，时空所具有的不仅仅是狭义相对论的那些对称性，还有无穷多种其他对称性，也就是所谓的“超平移”。它们是依赖于角度的平移，使得距离引力体无穷远的点相联系。这些丰富的对称性构成了BMS群，它们使空无一物的时空潜藏巨大的复杂性。简单来讲，时空有无限种空的方式。超平移可不像“往右跨三步”那样容易想象，而是好几十年来都没有一个简单的解释。很多物理学家觉得超平移令人困惑，并贬低其重要性和它对广义相对论的意义。
但在最近几年，斯特鲁明格阐明了究竟什么是超平移。粒子物理学里面一个看上去毫无关系，但也同样令人费解的谜团启发了他。上世纪30年代，物理学家计算发现，如果两个零能量的光子碰撞，那么得到特定结果的概率与产生的粒子数量以及其他细节无关。物理学家后来发现，这个结果对包括引力子内的其他粒子也成立。实际上，低能粒子看起来都差不多。
很多研究者把软粒子的这种行为当作量子场论的固有特征，其具有数学定理的效力，因而无需再寻求更深层次的解释。然而，把零能粒子普遍具有的这种奇怪行为与BMS群联系起来时，斯特鲁明格发现了超平移的具体含义：超平移往时空中添加软粒子。
科学家的理解反过来也为以下问题提供了更清晰的图像，即看上去空空如也的时空究竟怎样保留了遥远物体的引力作用？斯特鲁明格意识到，如果真空具有多种形式，那么当什么东西穿过它时，它将会保留几乎是难以查照的印记。
物理学家们仍在寻找证据，试图观测那些或许很快能在实验室中观测到的、引力留下的“记忆效应”。将时空当作是晶体的图像，记忆效应是很有道理的。引力波掠过时空就像晶体中的位错、晶格的偏移。”据哥伦比亚大学的研究者估算，这个位移的大小大约是引力波震荡幅度的5%，并且可能被未来的LIGO项目探测到。其他的实验学家计划去寻找电磁力和核力中类似的记忆效应。
记忆效应的原理甚至可能解决霍金在上世纪七十年代发现的黑洞信息悖论。在通常的分析中，黑洞是极为健忘的。对于落入其中的物体，黑洞只会记住它们的质量、角动量和电荷。随着时间的推移，黑洞逐渐以霍金辐射的方式放出粒子，直到最终蒸发殆尽。被吞噬之物的更精细的信息却丢失了，并假定已被销毁。
悖论之处在于，物理学中本不应该有如此彻底的失忆。但在2016年，斯特鲁明格与霍金以及剑桥大学的理论物理学家马尔科姆·佩里提出，广义相对论的真空或许能提供一个记忆矩阵来保存宇宙中的这些信息，使其不会随着黑洞的灭亡而消失。黑洞在一片空无一物的时空中形成；在它蒸发殆尽之后，这片区域再一次回归空无。但这已经不是相同的空无了。
这个理论原则上说得通，但对于一些物理学家来说，信息到底是怎么从黑洞里逃出来这件事还是太粗略了。不过，不管最终答案是什么样子，更好地理解广义相对论当然会帮助物理学家发展出没有悖论的后继理论。现在他们已经完成了对时空对称性的分类，斯特鲁明格和其他人可以寻找它从更基础的系统演生出来的方式。
原创稿件
制作 曾子芹 西南交通大学
审校 赵峥 北京师范大学物理系教授
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