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還記得量子無限性嗎？ 記得那些為數無窮大的粒子在量子場的真空中，在所有時間與所有地方到處出現，帶給時空的災難性后果嗎？ 為了應付它，科學家們不得不將引力關掉，試圖把那些無窮大當作不存在。結果得到了一個完美的理論。 現在，忘掉量子之類。 引力自身又是怎么樣的呢？我們所知道的物質，在日常生活中每天遇到的經典物質能否在宇宙構造上產生同樣效果？它能讓時空自己崩塌嗎？ 答案是絕對能。這次，我們甚至能在天空中直接看到這個結果。 在這里我們可以用這種畫面來幫助我們：我們可以想象把許多很重的玻璃珠扔到一片薄薄的橡皮膜上。 因為它們所造成的橡皮膜彎曲，鄰近的玻璃珠們應該滾得彼此接近，造成能讓橡皮膜變得更彎曲的一堆。隨著每一顆新滾下來的玻璃珠加入已經聚成的一堆，橡皮膜的變形就會越來越厲害。 到了某個階段，或者所有的玻璃珠都掉落在一起，或者剩下的那些玻璃珠離這里過于遙遠而不再向這里滾落，這個過程結束。 這里沒有什么奇怪之處。 但如果這張橡皮膜就像口香糖那么軟，如果它的強度不足以將那堆玻璃珠與自己的張力保持平衡，它就會繼續彎曲下去——哪怕沒有新的玻璃珠加入——直到斷裂。 沒有一片橡皮膜能夠強大到可以承受任意重量而不斷裂。這就出現了密度門檻：將過多的重量置于太軟的表面上，重物周圍的柔軟表面就會變形變形再變形，最后斷裂。 現在我們來看看時空又會怎樣。 雖然時空不會斷裂，但它們對于非常致密物質的反應或許更為劇烈，因為在這里，承受重量的基礎不是橡皮，而是時空本身。 時空，不是一塊平平的橡皮膜，而是一塊具有體積的空間。加上時間。 時空在它所包含的物體周圍彎曲和拉伸，不管那種物體是質量還是其他形式的能量。這就是愛因斯坦對此的理解。 不停地將能量（不管是什么形式的）加入到某個空間，就像在橡皮膜的例子里一樣，你注定會碰到問題。過了某個門檻，沒有什么能夠阻止時空的彎曲變得越來越深，即便沒有新東西掉進去。 當彎曲變得越來越厲害時，最初形成這種彎曲的不管什么東西都會被進一步擠壓，讓那里的密度更高，形成一個惡性循環，直到無情地讓時空崩塌，這種崩塌蒙上了無限大所帶來的灰塵，超出了廣義相對論所能應對的范圍。這種無限大被稱為“奇點”。它們不同于你早些時候看到的量子無限性。它們與量子進程毫無關系。它們出現的原因在于有太多質量或能量，出現在太小的體積里。它們是局部的。它們存在的可能性宣告了愛因斯坦引力理論的失效。 在二十世紀六十年代末、七十年代初，在幾乎所有其他人都嗨著，聽著迷幻音樂或尋找新的基本粒子的時候，英國數學物理學家羅杰·潘洛斯（Roger Penrose）和英國理論物理學家史蒂芬·霍金在一系列出色的定理中證明：在一個以廣義相對論統治的大尺度宇宙中，這種崩塌是必然發生的。通過這些定理，他們顯示了愛因斯坦的廣義相對論的確非常謙遜，因為它預言了自身的局限與失敗之處。 就像牛頓需要一個更大的理論來解釋水星軌道的漂移，現在愛因斯坦也需要一個更大的理論，哪怕僅僅是為了解釋這些崩塌。 你覺得它們會發生在哪里呢？它們真的能在大自然中被找到嗎？或者僅僅是些理論上的設想？ 它們是真實的，我覺得你應該知道到哪里去尋找它們。 這種奇點中的一個，可說是所有奇點之母，位于我們宇宙的過去，當我們整個宇宙的能量都被限制在一個極小的空間中的時候。 從某種意義上說，我們的宇宙就是從這樣一個奇點中誕生，因此它發生在時間與空間還不是今天這個樣子的時候。 另一個奇點位于遍布我們宇宙的每一個黑洞深處。 同許多人可能的想象相反，黑洞是“空洞”的反面：它們因某種災難性的塌縮而產生，太多質量被擠壓到太小的體積之中。你接下來就會知道，巨大的恒星死亡就可能引發這個過程。 自從潘洛斯–霍金定理發表后，就有了一個問題一直折磨并激勵許多聰明的腦袋，這個問題就是：既然奇點顯然發生于自然之中，我們又怎么能把握在該奇點出現之前所發生的事？我們又怎么可能思考某個時間與空間都已經失去意義的地方？又有什么理論能被用來考察那些災難性的塌縮？ 一個同時統治極大和極小的理論。 因為黑洞與我們宇宙的開端都具有將巨大數量的物質和能量禁錮于一個非常小的空間里這個特點，因此解答這一現象的理論也應該混合了引力和量子進程。 不管那個能夠比愛因斯坦更好地解釋我們宇宙的理論是什么樣子，它肯定需要包含時空引力的量子方面。 潘洛斯與霍金證明了愛因斯坦的引力理論有著深層局限性，無法解釋我們宇宙中的一切，不管是過去，還是現在：在我們到達時空開始之前就失效了，在我們能夠探尋今天的黑洞深處的秘密之時也同樣失效。 說了這么多，有些人可能認為難以找到引力的量子理論的錯全在愛因斯坦的寶貝——引力理論上。但你已經看到事實并非如此，量子視角中的世界也一樣有問題。 然而，不管多么困難，你將要試著將兩種理論混合在一起，因為現在你就要出發去探索黑洞了。（克里斯托弗·加爾法德） |
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