撰文 Theodore A.Jacobson、Renaud Parentani
1905年，阿尔伯特?爱因斯坦提出了他的狭义相对论，驳斥了19世纪的一种观念：光产生于一种假想的介质――“以太”（ether）的振动。他指出，无需任何物质的支持，光波就能在真空中传播。这一点上，光波与声波不同，后者是通过介质的振动而传播的。在现代物理学的另外两大支柱――广义相对论和量子力学中，狭义相对论的这个特点一直未曾动摇。直到今天，所有的实验数据――小到亚原子，大到星系尺度，都可以用这三大理论来成功解释。
不过，物理学家面临着一个深层概念上的问题。按照目前的理解，广义相对论和量子力学并不相容。被广义相对论归因于时空连续体弯曲的引力，却与量子理论框架格格不入。理论家仅仅在理解高度弯曲的时空结构方面不断取得进展，因为在极短的距离上，他们必须考虑量子力学。挫折之余， 一些人已经另辟蹊径――向凝聚态物理学寻求指导。而这种物理用于普通物质研究，例如晶体和流体。
（以太：十九世纪，主流物理学认为光是一种波，就像日常生活中遇到的声波一样。声波必须依赖于某种介质才能传播，于是科学家们假设，光的传播也需要借助某种介质的帮助，这种假想的介质就被称为以太。假如以太是真实存在的，那么地球相对于它的运动必然导致各个方向上光线传播速度的差异。但是后来的物理实验证明，光速在任何方向上都是相同的，因此否定了作为光传播介质的“以太”的存在。本文最后一段提到的以太，只是借用了这个概念，用来描述时空本身可能存在的颗粒状微观结构，并不是传统意义上的“以太”。
爱因斯坦以前，物理学假设真空中存在着一种假想的物质“以太”，那么相对于以太静止的参考系就是一个特殊的绝对静止参考系；而爱因斯坦的相对论抛弃了以太的假说，认为所有的参考系都是相对的、平等的，任何一个参考系都不会比其他的更优越、更特殊――这就是优先参考系的由来。）
黑洞如同热煤球
黑洞是量子引力最宠爱的实验场之一，因为在这里，量子力学和广义相对论都显得非常重要――这样的地点非常罕见。1974年，英国剑桥大学的史蒂芬•霍金将量子力学应用到了黑洞的视界上，迈出了两大理论融合的一大步。
根据广义相对论，视界是分隔黑洞内部（其中的引力非常强大，以致所有物体都无法逃离）和外部的表面，它并非一个物质的界限。不幸落入黑洞的旅行者，在穿越视界时，并不会有任何特殊的感觉。可一旦进入视界，他们就再也无法将光信号传给外面的人，更别说从那里回来了。黑洞外的观测者，只能接收到旅行者穿越视界之前发出的信号。当光波爬出黑洞的引力井时，它们被拉长、频率降低、信号持续时间也随之延长。因此，对观测者而言，旅行者似乎在以慢动作运动，而且比通常的颜色偏红。
这种被称为引力红移（gravitational redshift）的效应并不是黑洞所特有的。比如，当信号在轨道卫星和地面基地之间传递时，频率和时间也会因引力红移而改变，GPS导航系统必须将它考虑在内才能准确工作。不过，黑洞的特殊之处在于，当旅行者靠近视界时，红移就会变得无穷大。在外部观测者看来，旅行者的下落过程似乎要耗费无限的时间，尽管旅行者自己觉得不过是经历了一段有限的时间而已。
到目前为止，这种对黑洞的描述，还只是将光当作传统电磁波看待。霍金所做的，就是在把光的量子本质考虑进来，重新研究了无限红移的意义。根据量子理论中的海森堡测不准原理，即使完美的真空，也并非真的空无一物，其间充满了量子涨落，这些涨落以虚光子对（pairs of virtual photons）的形式表现出来。这些光子之所以被称为“虚”光子，是因为在一个远离任何引力影响的未弯曲时空中，它们总是不停地出现和消失，如果缺乏外界的干扰，就无法观测得到。
但在黑洞周围的弯曲时空中，虚光子对中的一颗，可能会陷入视界内部，而另一个会滞留在视界之外。于是，这对光子就会由虚变实，产生出向外辐射的可观测光线，此时，黑洞的质量也会相应下降。黑洞辐射的整体模式是热辐射，就像一个炽热的煤球发出的光线一样，它的温度与黑洞的质量成反比。这种现象被称为霍金效应（Hawking effect）。除非黑洞吞噬物质或能量来弥补损失，否则霍金辐射将会耗尽它所有的质量。
重要的是，在非常靠近黑洞视界的空间，还保持着近乎完美的量子真空――当我们把流体和黑洞进行类比时，这将变得至关重要。事实上，这个条件是霍金理论的基本前提。虚光子是最低能量的量子状态，即“基态”（ground state）的一种特征。只有在虚光子与同伴分离、并逃离视界的过程中，它们才会变成实光子。
（海森堡测不准原理：海森堡，德国物理学家。因创立量子力学，于1932年获得诺贝尔物理奖。测不准原理是他在1927后提出一个原理，即在量子力学中，一个粒子的位置和动量不可能被同时确定――位置越确定，动量就越不确定，反之亦然。这并不是实验能力上的不足，而是物理世界给出的限制条件。当我们从越来越小的尺度上观察世界的时候，其中的能量就会因为测不准原理而变得越来越起伏不定。成对的虚光子就会在这种能量的波动中出现和消失，留不下任何可观测的效应，除非黑洞的视界将它们分离开来。）
终极显微镜
在建立完整量子引力理论的各种尝试中，霍金的分析扮演了重要角色。对于量子引力的候选理论（比如弦论）来说[参见胡安•马尔达塞纳所著的《引力幻像》；《科学美国人》2005年第11期]，再现和解释这种效应的能力是一个至关重要的检验。然而，尽管大部分物理学家都接受了霍金的观点，却一直苦于无法用试验来证明。理论预言的恒星级和星系级黑洞所发出的辐射，都因太过微弱，而无法看见。观测霍金辐射的唯一希望，就是找到早期宇宙所遗留下来的、或者在粒子加速器中被创造出来的微型黑洞，不过，这也许非常不可能。[参见伯纳德•卡尔和史蒂文•吉丁斯著的《量子黑洞》，《科学美国人》2005年第5期]。
缺乏实验验证的霍金效应，不得不为一个问题而伤透脑筋：霍金效应存在着一个潜在的瑕疵，就是理论所预言的光子将要经历无限红移。设想一下，把时间颠倒过来，观察辐射效应，会是怎样的呢？随着霍金光子越来越靠近黑洞，它蓝移到一个更高的频率，和相对较短的波长。它沿着时间回溯得越久，就越接近视界，它的波长也变得越短。一旦它的波长变得比黑洞还小得多，这个粒子就会与它的同伴相结合，变成此前讨论过的虚光子对。
蓝移会毫不减弱地持续下去，波长也缩减到任意短的距离。但到了短于 10-35 ¬米的距离――即所谓的普朗克长度（Planck length），不论是相对论还是经典量子理论，都无法预言粒子会有什么行为。或者，我们需要一种量子引力论才行。因此，黑洞的视界如同一台奇幻的显微镜，使观测者接触到未知的物理。对于理论家来说，这种放大效应令人不安。如果霍金的预言依赖于已知的物理学，那么我们就不应该怀疑它的正确性吗？霍金辐射的性质，甚至它的存在本身，有没有可能依赖于时空的微观性质呢――就好像物质的热容和声速依赖于它的微观结构和动力学一样？要不然就像霍金最初所声称的那样，这种效应只是由黑洞的宏观性质，也就是它的质量和自旋完全决定的呢？
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