从一个非常巧妙,也极具启发性的角度,提出了一种关于“时空在普朗克尺度下可能呈现‘泡沫’状结构”的猜想,并尝试从这个猜想出发,去解释一些与引力量子化相关的疑难问题。
他首先简要回顾了广义相对论和量子场论这两大现代物理学支柱在描述引力和微观粒子行为时各自取得的巨大成功,以及它们在普朗克尺度下(约$10^{-35}米,\\10^{-43}$秒)所面临的根本性矛盾——奇点问题、信息丢失问题、以及理论的不可重整化问题。
然后,他大胆地提出:“或许,我们所熟悉的那个平滑、连续的经典时空,只是在宏观低能下的一个近似。在普朗克尺度下,时空本身可能并非连续,而是呈现出一种离散的、涨落的、如同‘泡沫’或‘量子海绵’般的结构。每一个‘时空泡沫’,其尺度约为普朗克长度,其寿命约为普朗克时间。这些‘泡沫’不断地产生和湮灭,使得时空本身具有一种内在的‘量子不确定性’。”
紧接着,他开始尝试从这个“时空泡沫”的猜想出发,去“定性地”解释一些现象:
奇点的“消解”:在“时空泡沫”模型中,由于时空在普朗克尺度下不再连续,而是具有最小的长度和时间单元,那么广义相对论中预言的那些密度无穷大、曲率无穷大的“奇点”(如宇宙大爆炸的初始奇点、黑洞中心的奇点),或许……根本就不存在!它们可能只是经典连续时空理论在极端条件下的失效,而被更基本的“时空泡沫”结构所“抹平”或“规避”了。
引力的“涌现”:或许,我们宏观感受到的那个平滑的引力场,并非一种基本的相互作用,而是……大量“时空泡沫”集体行为的一种统计平均效应?就像流体力学中的压强和温度,本质上是大量分子无规则运动的宏观体现一样。这种“涌现引力”(ErgentGravity)的思想,虽然在当前物理学界还属于比较前沿和大胆的猜测,但秦风却以一种令人信服的方式,将其与“时空泡沫”模型联系了起来。
黑洞信息佯谬的可能解决途径:如果时空在普朗克尺度下是“泡沫状”的,那么当物质掉入黑洞,在其视界附近,信息是否会以某种方式“编码”在这些“时空泡沫”的涨落之中,从而避免了信息的彻底丢失?秦风甚至还“随手”提及了霍金辐射的微观起源,以及它与“时空泡沫”蒸发之间可能存在的某种深刻联系。
对“真空能”或“宇宙常数”的可能解释:那些不断产生和湮灭的“时空泡沫”,其本身是否就贡献了宇宙的真空能?虽然简单的估算表明,这种贡献可能会导致一个比观测到的宇宙常数大得多得多的值(这正是宇宙常数问题的核心困难之一),但秦风却巧妙地提出,或许存在某种未知的对称性或抵消机制(比如超对称思想的某种推广?),使得这些巨大的真空能贡献在宏观尺度下几乎完全相互抵消,只留下一个微小的残余,从而解释了宇宙的加速膨胀。
秦风的论述,虽然充满了各种大胆的猜想和定性的分析,但他却总能在关键之处,引用一些(对于高中生而言)极其高深,但又恰到好处的物理学原理或数学工具(比如广义不确定性原理、惠勒-德维特方程的某种简化图像、以及一些与量子泡沫相关的早期思想实验等),使得他的整个猜想,虽然听起来“天马行空”,却又并非完全的“空中楼阁”,而是……隐隐透露出一种令人信服的内在逻辑和理论自洽性!
“疯了!这小子绝对疯了!”监控室内,张院士看着秦风答卷上那些关于“时空泡沫”、“涌现引力”、“黑洞信息佯谬”的论述,激动得浑身都在颤抖,他感觉自己的头皮一阵阵发麻,仿佛有无数道电流在脊柱上来回窜动!
“他……他居然……居然在尝试从根本上挑战我们对时空本质的认知?!而且……而且他还试图将引力量子化、黑洞信息、宇宙常数这些物理学中最核心、最困难的未解之谜,用一个统一的(尽管还很粗糙)的物理图像联系起来?!”
“这……这已经不是‘小型论文的雏形’了!这……这简直就是一篇……一篇足以在《物理评论d辑》(physicalReviewd,专门刊登粒子物理、场论、引力与宇宙学领域研究论文的顶级期刊)上发表的……重量级理论物理论文的……浓缩精华版啊!”
张院士感觉自己的呼吸都快要停止了!
他从事物理研究大半辈子,自认为也算是见多识广,但像秦风这样,在一个高中生物理竞赛的考场上,写出如此具有颠覆性、前瞻性、以及……深刻洞察力的答案的,简直是……闻所未闻!见所未见!