致愛因斯坦：一封來自未來的信

「我們不相信時間旅行，也不相信神秘主義。但如果我們可以給艾爾伯特·愛因斯坦寫封信，用幾段文字和他聊聊引力和黑洞呢？我們大概會這樣寫。」

Steven Gubser和Frans Pretorius 普林斯頓大學物理系

2017年7月

親愛的艾爾伯特，

你是最出色的。E = mc的二次方（注釋：公式是E等於M乘以C的二次方，但很悲催的是，排版顯示不出右上角那個二次方）已是眾人皆知的物理公式。

你被《時代》周刊評為「世紀人物」。關於你的趣事不再被頻繁提起，因為大家早已耳熟能詳。我們有了許許多多的核武器，但我們還沒有把自己炸上天。被故意用來殺人的，只有二戰尾聲時投下的那兩顆原子彈。

現在，我們對廣義相對論和黑洞非常感興趣，因為一個叫做LIGO的大型儀器探測到了10億年前兩個黑洞碰撞合併所產生的引力波。我們寫了一本關於黑洞的書，我們知道你對「史瓦西解」很感興趣，有時可能拿不准它的物理意義，因此我們覺得可以和你聊聊，在你去世後的這六十多年裡，都發生了什麼。

人們再次對廣義相對論佩服得五體投地。

首先，在「史瓦西解」中，有一個叫做事件視界的東西。如果你進入視界內部，就無法再出來，除非你的速度超過光速。你還記得「史瓦西解」的構成嗎？當半徑等於牛頓耦合的一個因子時，就會出現一些奇異性，尤其是度規的時間部分會消失，我們現在稱之為失效函數。

這就是事件視界的所在之處。當半徑為零時，也會出現奇異性。我們的理解是，這些奇異性代表了一個時空奇點，幾何規則在那裡無效。如果你進入史瓦西黑洞，必然會遇到這個奇點，但我們不知道接下來會發生什麼，甚至不知道「接下來」這個詞究竟用得恰不恰當。

它們是真的：超大質量黑洞吞噬周圍物質的藝術效果圖

真希望你可以看到在你去世後的二十幾年裡，人們對廣義相對論的所有研究。

約翰·惠勒（John Wheeler）

約翰·惠勒（John Wheeler）是其中的核心人物。（我們認識他！他2008年時去世，曾在普林斯頓大學和我們相處過一段時間。）他普及了「黑洞」一詞，用它來描述「史瓦西解」和相關度規。

羅伊·克爾（Roy Kerr）

紐西蘭人羅伊·克爾（Roy Kerr）發現了史瓦西度規的一個泛化，並用它來描述一種旋轉的黑洞。這是一個相當複雜的度規！它很重要，因為它描述了坍縮恆星的最終狀態，它們總是具有某種非零的角動量。

現在，我們可以相當肯定，宇宙中有很多黑洞。正如錢德拉塞卡爾、托爾曼、奧本海默和沃爾科夫在20世紀30年代所說的那樣，如果太多的質量聚集在一起，就無法維持。很難知道確切的數字，但如果一顆恆星耗儘其所有核燃料後剩下大約三個太陽的質量，那麼它將塌縮成一個黑洞。

更令人吃驚的是，星系中央存在質量大得多的黑洞。銀河系中央的一個黑洞相當於大約400萬個太陽的質量。

我們不是在和你開玩笑！現在科學界一致認為，很多星系的中央存在質量超大的黑洞，可能相當於幾十億個太陽的質量。我們不知道這些黑洞是如何形成的，但就銀河系中央的那個黑洞而言，通過追蹤恆星的軌道、觀察黑洞的引力效應，我們已經知道，它的確存在。

LIGO探測到引力波是一個了不起的發現。LIGO是一個大型的邁克爾遜干涉儀，有兩個干涉臂，每個臂長4千米。LIGO是「激光干涉引力波天文台」的縮寫。激光是神奇的單色光源，不僅方向性好、能量強大，能用來焊接金屬，而且價格低廉，被用於現代唱片機，取代了唱針。我們還沒有發明會飛的汽車，但激光已經相當好用了。

LIGO剛剛取得了一個重大科學成果，它幾乎是偶然發現了這個完美的引力波形，並且與描繪兩個黑洞合併的模型相符，每個黑洞的質量大約相當於30個太陽。

量子理論幾乎就像是廣義相對論的一個映射！

人們再次對廣義相對論佩服得五體投地，因為它準確描述了黑洞的強場區域和遠場區域。在靠近黑洞的強場區域，時空被撕裂成碎片；而在遠場區域，引力波就像是滑過時空的最輕柔的細語。

直接證據：2015年9月14日，引力波經過華盛頓州漢福德時產生的應變時頻圖

你關於宇宙常數的想法也取得了很大進展。儘管你說這是你犯下的最大錯誤，但我們現在認為，這是對你的場方程的一個小修正。

實際上，宇宙常數在大體量環境下非常重要：天文學家無法解釋不斷膨脹的宇宙近期出現的變化，除非宇宙中70%的能量都來自宇宙常數或者與其非常相似的東西，我們稱為「暗能量」。暗能量促使宇宙以指數方式加速膨脹，而不是像你最初提出宇宙常數時認為的那樣，讓宇宙保持靜態（別難過）。

另一方面，為了追求一個統一的理論，人們對具有負宇宙常數的時空展開了深入研究。具有負宇宙常數的五維廣義相對論和描述四維時空的量子理論可以很自然地聯繫在一起。量子理論幾乎就像是廣義相對論的一個映射！

史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）

現在，我們確信量子理論是正確的（抱歉）。英國物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）證實，量子理論表明，黑洞會散發輻射，儘管溫度極低。黑洞也有巨大的熵，儘管這與你的場方程的解幾乎大相徑庭。你與波多爾斯基和羅森合寫的那篇論文意義重大，這可能會讓你感覺好些。如今，人們甚至利用與那篇論文有關的想法，來研製量子計算機。

現在，普林斯頓大學的許多教授都不再打領帶上班了，但我們大多數人肯定會穿襪子。卡內基湖還像以前一樣美麗。在湖上泛舟的人不多，湖邊有一個鷹巢。我們還沒有找到統一的場理論，但我們仍然在努力。好戲還在後頭。

Steve和Frans

Steven S. Gubser和Frans Pretorius均為普林斯頓大學物理學教授，前者著有《弦理論》一書

翻譯：于波

來源：Nautil

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