1700932983
1700932984
继爱因斯坦1905年的发现之后一项伟大的再认知工作就要求破除大的是重的，小的是轻的这样一个本能，并用一个完全相反的：大的是轻的，小的是重的，来代替它。就像很多其他情况一样，爱因斯坦是第一个模糊地意识到这种奇异的爱丽丝式的逻辑倒置[131]。当时他抽的是什么烟呢？抽的只是他烟斗中的板烟丝而已。跟以往一样，爱因斯坦影响最深远的那些结论，只来自于他脑中所进行着的最简单的思想实验。
1700932985
1700932986
难以置信的光子缩小盒
1700932987
1700932988
这个独特的思想实验是从一个可以调节的盒子开始。除了几粒光子盒内空无一物，并且盒子可以任意地改变大小。其内壁是一些能够完全反射的镜子，所以被捕获在盒子里的光子，将在这些镜子间来回反弹，无法逃逸。
1700932989
1700932990
一个被禁锢在封闭区域内的波，其波长不可能比那个区域的尺寸大。试想一下把一个10米的波装进一个1米的盒子。
1700932991
1700932992
1700932993
1700932994
1700932995
这是不可能的。然而，将一个1厘米的波装进去就毫无问题。
1700932996
1700932997
1700932998
1700932999
1700933000
爱因斯坦想象不断地缩小这个盒子而将那个光子始终禁锢在里面。随着盒子的变小，光子的波长不可能保持不变。唯一可能的就是每一个光子的波长都一定随着盒子变小了。最终盒子将变得极其微小，里面充满了如此高能量的光子，这是由于它的波长相应地变短了。继续缩小盒子甚至会增加更多的能量。
1700933001
1700933002
但是回想一下爱因斯坦那个最著名的方程，E=mc2。如果盒子里的能量增加，那质量也同样会增加。因此，它变得越小，质量增加得越多。质朴的直觉又一次把它颠倒了过来。物理学家必须重新认识这个规律：小的是重的，大的是轻的。
1700933003
1700933004
大小和质量的关系以另一种方式显现出来。自然界看来是具有层次性构造的，结构中的每一层由更小的物体构成。因此分子由原子构成；原子由电子、质子和中子构成；质子和中子由夸克构成。科学家们通过粒子撞击目标原子，并观察其产生物发现了这些结构层次。从某种意义上来讲，这与通常的观测并没有那么多的不同。平常的观测中光（光子）被物体反射，然后聚焦到胶片上或者是人眼的视网膜上。但是如前面我们所看到的，如要探测非常小的尺度，我们就必须用能量极高的光子（或者是其他粒子）。显然，用高能量的光子探查原子时，大量的质量——至少按基本粒子物理的标准是这样——被聚集在一个很小的空间。
1700933005
1700933006
我们画一幅图来给出尺寸和质量（能量）的倒数关系。我们用竖轴来表示要探查的尺度，横轴则表示光子分辨物体所需要的质量（能量）。
1700933007
1700933008
1700933009
1700933010
1700933011
曲线形状很明确：物体越小，观察到它需要花更大的质量（能量）。理解大小和质量（能量）间的相反关系是20世纪大部分时间中，每一个读物理的学生都必须做的事情。
1700933012
1700933013
爱因斯坦的光子盒并不是一种怪诞想法。尺度越小意味着质量越大的想法已渗透到了现代基本粒子物理的每个角落。但具有讽刺意义的是，21世纪却指望着对这种认识的再度装备。
1700933014
1700933015
想了解个中原因的话，就想象我们要确定比普朗克长度小100万倍的尺度上存在着什么，如果真存在着什么的话。也许自然界的层次性结构能延伸到那个深度。20世纪的标准方式，我们应该用一个是普朗克能量100万倍的光子去探查目标。但是这种方式必将会事与愿违。
1700933016
1700933017
我为什么这样说呢？虽然我们可能永远无法把粒子加速到普朗克能量，更不用说是它的100万倍了，但是，倘若能够做到的话，我们已经知道将会发生的事情。那么大的质量被填进一个如此小的空间会形成一个黑洞。我们将会被黑洞的视界所阻隔，它会把我们所要探测的每一样东西都藏在它的内部。当我们想通过提高光子的能量来看更小的距离时，视界将变得越来越大并且隐匿越来越多的东西：又是一种令人左右为难的情况[132]。
1700933018
1700933019
那么碰撞会产生什么呢？霍金辐射——仅此而已。但是随着黑洞的变大，霍金辐射的光子的波长也在变大。微小的亚普朗克尺度物体的清晰的图像，将被这些长波长的光子所产生的越来越模糊的图像所取代。所以我们预计随着碰撞能量的增加，我们最多也只能在一个较大的尺度上重新认识自然。因此，真实的尺寸—能量的图像是这样的：
1700933020
1700933021
曲线在普朗克尺度附近达到最低点，我们无法观测更小的东西。如果小于这个尺度，那么新装备的理论与未工业化时代是一样的：大=重。因此还原论——一种认为事物是由更小东西构成的理论——将在普朗克尺度的时候停下前进的脚步。
1700933022
1700933023
在物理学中，紫外（UV）和红外（IR）这两个术语所呈现出来的意义，已经超越了它们仅仅与短波长和长波长光有关的本意。因为20世纪关于大小和能量的联系，物理学家们常常用UV表示高能，用IR表示低能。但是新认知理论把他们都混淆起来了：超越普朗克质量后，能量越高意味着尺度越大，能量越低就意味着尺度越小。这种混淆体现在术语上：新的趋势是把大尺度和高能量等同起来，这被模糊不清地称为红外紫—外联系[133]。
1700933024
1700933025
1700933026
1700933027
1700933028
红外—紫外联系
1700933029
1700933030
作为部分原因，正是因为对红外—紫外联系缺乏理解，才使物理学家们在关于信息掉临视界的实质的问题上受到了误导。在第15章中，我们想象了用海森伯的显微镜去观察一个原子掉向黑洞的过程。随着时间的推移，原子越来越接近视界，这需要越来越高的能量的光子去辨析这个原子。最终，能量会变得很大，光子和原子的碰撞会产生一个大的黑洞。然后图像必将通过长波长的霍金辐射整合起来。结果并不是原子图像变得更加清晰，而是变得越来越模糊，直到该原子看起来覆盖了整个视界。从外部来看，用一个现在比较熟悉的类比就好像一滴墨水溶解在一浴缸热水中一样。
1700933031
1700933032
尽管黑洞互补性原理那么不可思议，但是它似乎是自洽的。在1994年，我曾想动摇霍金的想法，对他说：“瞧，霍金，你并没有领悟到你研究工作的整个意义！”我立即作了尝试，但是没有成功。一个月的尝试既有幽默又有痛苦。在我讲述我的烦恼的时候让我们暂停一下物理讨论吧。