 有一个问题已经困扰物理界多年：无限致密的奇点究竟能否存在于黑洞之外（宇宙大爆炸正是源于这样的一个奇点），这将揭开量子引力的种种谜团。 奇点是平滑时空中的一个异类，爱因斯坦的经典引力理论在此瓦解，而未知的量子引力理论仍有待发展。它似乎始终笼罩在黑暗之中，藏身于黑洞的事件视界之后。 1969年，英国物理学家与数学家罗杰·彭罗斯爵士（Roger Penrose）推测，由于某种“宇宙审查”的存在，可见的“裸奇点”无法在宇宙中形成。但是，量子引力为何要自我审查呢？ 现在，新的理论计算也许能解释，裸奇点为何不会存在——至少在某个模型宇宙中不存在。这些计算显示，另一个有关引力的新猜想如果正确，那么，裸奇点就无法在这个模型宇宙中形成，由此，彭罗斯的宇宙审查猜想也将得到进一步巩固。 有专家表示，鉴于两种猜想相互佐证，两者皆对的可能性又大了一些。这将意味着，任你望穿秋水，奇点也只能隐藏在黑洞之中，不过，量子引力理论一个不为人知的重要特征也将浮出水面。 加州理工学院的约翰·普雷斯基尔（John Preskill）说，两个假设之间的“联系令人欣喜。”1991年，他曾与斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）打赌，认为宇宙审查猜想会失败。 今年5月，《物理评论快报》报道了这项新研究。依靠哈佛大学卡鲁·瓦法（Cumrun Vafa）的重要观点，剑桥大学的豪尔赫·桑托斯（Jorge Santos）和学生托比·克里斯福德（Toby Crisford）经过模拟，出人意料地将宇宙审查猜想与2006年的弱引力猜想联系到了一起。 弱引力猜想假设，在任何独立运转的宇宙中，引力必须永远是最弱的力，正如我们的宇宙中一样。（四大基本力中，引力是最弱的一种，比其他三种都弱得多。） 桑托斯和克里斯福德在一个四维宇宙中模拟出了裸奇点的形成，该宇宙的时空几何结构与我们的宇宙不同。他们发现，在那个宇宙中，只要另有一种比引力更强的力作用于粒子，奇点就会被黑洞所笼罩。 换言之，时空结构中也许原本能形成一个可见的奇点，但“引力为最弱力”的条件阻止了这样一个裸奇点的产生。  1978年，罗杰·彭罗斯在加州大学伯克利分校 目前，桑托斯和克里斯福德正在运行模拟实验，以检验早先的计算结果，他们想知道，在引力成为该模型宇宙中最弱的力时，宇宙审查猜想是否成立。 若能与更负盛名的宇宙审查猜想联手，弱引力猜想的前途将十分光明。如果弱引力猜想是对的，它将揭示出引力与其他量子力之间的深刻联系，进而佐证弦理论，并打击与之针锋相对的圈量子引力论。弦理论认为，引力、电磁力等力都是弦的不同振动模式，各种力因此自然地“统一”起来。 但在圈量子引力论中，力的统一就没有这么明显了。按照该理论，时空是量子化的微型体积包，与其他粒子和力没有直接联系。“如果弱引力猜想是对的，那么圈量子引力必错无疑。”高等研究所（Institute for Advanced Study）的尼玛·阿尔卡尼·哈米德（Nima Arkani-Hamed）教授说。他参与提出了弱引力猜想。 “新研究的确揭示了量子引力的一些东西。”加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家加里·霍洛维茨（Gary Horowitz）说。 裸奇点 1991年，作为加州理工学院的两名理论物理学家，普雷斯基尔和基普·索恩（Kip Thorne）去剑桥拜访霍金。那时的霍金已经花了几十年时间，探索爱因斯坦方程式中涵盖的可能性。这个方程式定义了时空如何在物质面前发生弯曲，从而产生引力。 与彭罗斯以及其他任何人一样，霍金仍未发现裸奇点在宇宙中的形成机制。奇点始终就在黑洞的中心——这个时空之洞异常深邃，以至于没有任何光可以从中逃逸。霍金告诉两位来访者，他相信宇宙审查猜想。 而作为量子引力和黑洞领域的专家（索恩是创立LIGO黑洞探测实验的三位物理学家之一），普雷斯基尔和索恩说，探测裸奇点和量子引力效应也许是可能的。普雷斯基尔回忆起当时的场景，“沉默良久之后，霍金说，‘你们想打赌吗？’” 1997年，一次模棱两可的研究发现让双方不得不重新商定赌约，并根据某个技术细节定下了胜负标准。这项发现来自于不列颠哥伦比亚大学的物理学家马特·乔普图克（Matt Choptuik），他是用数值模拟的方法研究爱因斯坦的理论。他证明，如果初始条件调配得恰到好处，我们所处的四维宇宙中也能形成裸奇点。但如果初始数据偏离一丝一毫，裸奇点就无法形成——黑洞会在它的周围形成，对周遭进行审查。 这一发现并没有推翻彭罗斯的宇宙审查猜想，不能真正证明裸奇点的形成，但霍金还是认输了，并按规定支付了赌金，还提供了“让赢家遮蔽裸体的衣服。”他确实为普雷斯基尔提供了衣服，但衣服上的图案是一名几乎一丝不挂的女人。 穿着这样的衣服，普雷斯基尔在加州理工学院，面对1000人发表讲话，这让他尴尬至极。 接着他们又在网上发布了新一轮打赌内容，并写明，只有针对宇宙审查猜想的非特殊反例才能作数。这一次，他们达成一致：“衣服要绣上合适的、真心认输的语句。” 20年后的今天，打赌结果依然未决，但几次都险些分出胜负。2010年，物理学家弗兰斯·比瑞托利乌斯（Frans Pretorius）和路易斯·莱纳（Luis Lehner）在五个或以上维度的假想宇宙中，发现了裸奇点的产生机制。 在今年5月发表的论文中，桑托斯和克里斯福德称，在一个四维时空的经典宇宙（就如我们所处的宇宙）中，裸奇点是可以存在的，但该宇宙的几何结构与我们的宇宙完全不同。这个最新的裸奇点“介于90年代的‘技术性’反例和真正的反例之间。”霍洛维茨说。普雷斯基尔也认为，打赌并未因此分出胜负。然而，这一发现的确改变了现状。  2014年，人们渐渐有了新发现，当时，霍洛维茨、桑托斯和本森·韦伊（Benson Way）发现，在一个名为“反德西特空间”、时空几何结构类似锡罐的模拟四维宇宙中，裸奇点是可以存在的。 这个宇宙有一个边界——即锡罐的罐身，因此，它可以用来方便地验证各种关于量子引力的猜想：对于锡罐内部弯曲的时空，物理学家可将其当作锡罐表面（表面没有引力）投射出来的全息投影。 而我们的宇宙更类似于德西特几何结构，其唯一的边界就是无限的未来，即时间的尽头。永恒的无限并不能充当一个很好的表面，难以投射出一个鲜活宇宙的全息投影。 虽然存在差异，但反德西特宇宙和德西特宇宙的内部都遵循爱因斯坦的传统引力理论——当然，奇点应排除在外。一些专家称，宇宙审查猜想若在其中一种宇宙中成立，就可能在两种宇宙中同时成立。 霍洛维茨、桑托斯和韦伊研究过这样一个问题：在反德西特宇宙中，当电场和引力场同时存在时，结果会怎样？他们的计算显示，增加锡罐宇宙表面的电场力，时空就会围绕内部一个相应的点弯曲，弯曲幅度越来越大，最终形成裸奇点。在最近的论文中，桑托斯和克里斯福德利用数值模拟，证实了早先的计算。 但为什么在五维和改变了几何结构的四维宇宙中，裸奇点就能存在，而在我们这样的四维宇宙中，它就不可能存在？“怎么会这样！”桑托斯说，“这太奇怪了，值得好好研究一下，其中肯定有什么名堂。” 弱引力来救场 2015年，哈佛大学弦理论学家和量子引力理论学家卡鲁·瓦法路过霍洛维茨的办公室，后者向他提及了四维反德西特空间中存在裸奇点的证据。弦理论设想可能存在10的500次方个不同的宇宙，一直以来，瓦法都试图排除其中的大部分可能性。他的做法是找出其中的“沼泽地”：逻辑自洽程度太弱而无法存在的宇宙。通过理解陆地和沼泽的分布规律，他希望绘制出量子引力的整体图谱。 2006年，瓦法连同阿尔卡尼-哈米德（Arkani-Hamed）、卢博斯·莫特（Luboš Motl）和阿尔贝托·尼科利斯（Alberto Nicolis），提出了弱引力猜想的“沼泽地测试”。 他们发现，只有当至少有一种力对粒子的影响超过引力对粒子的影响时，宇宙才可以运转。而其它的力要是太弱，违背因果关系等诸多问题就会显现。“一旦违反了‘引力为最弱力’的原则，各种问题马上就会出现。”阿尔卡尼-哈米德说。在量子引力的广袤大地上，弱引力这个条件使大片区域沦为沼泽。  剑桥大学的桑托斯（左）和克里斯福德。他们发现了两种引力猜想之间出人意料的联系 弱引力和宇宙审查似乎描述的是不同的东西，但2015年的那天，瓦法在与霍洛维茨聊天时意识到，两者可能是相互关联的。霍洛维茨解释了桑托斯和克里斯福德的模拟裸奇点：当研究人员增强锡罐宇宙边界的电场强度时，他们默认，锡罐内部是一个经典宇宙——完全平滑，没有粒子以量子力学的形式时而出现、时而消失。 但瓦法推理说，若存在这样的粒子，如果按照弱引力猜想，它们与电场的耦合就会强于跟引力场的耦合，那么，一旦增强反德西特宇宙边界的电场，内部的相应区域就会产生足够多的粒子，使该区域出现引力坍缩，变成黑洞，从而阻止了裸奇点的产生。 此后，桑托斯和克里斯福德的计算印证了瓦法的直觉：他们运行的模拟实验证实，在引力变成最弱力的那一刻，裸奇点就被黑洞包围了。“我们不知道确切的原因，但事实似乎就是如此。”瓦法说，“两种猜想是相辅相成的。” 量子引力 还需一定时日，这项新研究和两个猜想的影响才会完全显现。按照宇宙审查猜想，黑洞中心适用量子引力，宇宙中其余一切则适用经典引力，这就使两者之间产生了突兀的脱节。 而弱引力猜想似乎弥合了这种脱节，将量子引力与主宰宇宙粒子的其他量子力联系了起来，并且，可能更偏向于“弦”而不是“圈”理论。普雷斯基尔说，“如果要列出一系列论据或原因，解释你为何相信‘力的统一’，你就该把这条写上去。” 不过，作为圈量子引力论的提出者之一，圆周理论物理研究所（Perimeter Institute）的李·斯莫林（Lee Smolin）持反对意见。他指出，如果弱引力猜想是对的，那或许也离不开圈量子引力论的支持。他表示，他的理论也可以实现“力的统一”，如果弱引力猜想成立，那么如何利用圈量子引力论实现“力的统一”，就更需要去努力探索了。 我们的宇宙中似乎并没有裸奇点，因此，无论在怎样的宇宙中，只要有量子引力的蛛丝马迹，物理学家都会求之若渴。 在量子引力理论的浩瀚世界，他们就像上世纪90年代一样迷茫，没有任何设想中的实验可以用来验证，究竟哪一种理论可以如实地描述我们所处的宇宙。“所以，首要任务是要找到通用属性——这些量子引力理论要成立，就必须具备的通用属性。”桑托斯说，这也是“沼泽地”理念的体现。 弱引力或许就是这样一种通用属性——一种让量子引力同样也适用于黑洞外宇宙的必要条件。这些也许是科学家在黑暗中摸索时，仅有的可以依赖的线索之一。 翻译：雁行 来源：Wired |
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