遙遠星光，刺破愛因斯坦相對論？

來自遙遠星系的奇怪信號，也許會成為超越愛因斯坦時空理論的第一道曙光。圖片來源：《新科學家》

（文/ Stuart Clark）我們生活在一個不可見的景觀之中：雖然無法直接感知到它，但它決定了我們能夠看到和做到的一切。從繞太陽公轉的行星，到飛向月球的火箭，再到不小心掉到地上的鉛筆，這個景觀中的每一個物體，都遵循其潛移默化的規律。每一次我們負重上山或者上樓時，都在與之對抗。

這就是時空景觀：物理宇宙的基本結構，抑或就是現實本身。雖然我們看不到它的跌宕起伏，卻能感受到它的作用，我們稱之為引力。「時空」這一概論，由物理學家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）在20世紀發展，並被阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論所採用，如今已成為整個物理學中最強大的概念之一。

但有一個惱人的問題：沒有人知道它是什麼。愛因斯坦把時空設想成一個完全光滑的表面，會被恆星、行星和星系的引力所彎曲。然而，各種天體發出的信號卻暗示著一些不同的東西。如果這些有爭議的觀測被證實，就將表明時空景觀比愛因斯坦所認為的更加粗糙。這也將意味著，他對時空或者引力的描述並不完善，我們對宇宙的根本認識需要修改。

在愛因斯坦之前，空間和時間被認為是宇宙分立的屬性。對於艾薩克·牛頓（Isaac Newton）來說，它們是神創造出來的剛性框架，甚至是上帝的某種具象體現，是上帝審視這個世界的「感覺中樞」，引力和運動全然是其旨意的體現。對於許多人來說，這一觀點過於特立獨行到了神學範疇。於是，牛頓的宗教解釋很快就靠邊站了。但很少有人質疑其背後的科學。

直到19世紀中葉，人們才發現，牛頓力學無法解釋水星繞太陽公轉軌道中的細微之處。愛因斯坦的相對論卻可以，不過需要把時間和空間融合成在數學上無法區分的一個整體。在其中，影響一方的事情也會影響到另一方，時間和空間成為了時空連續體。

雖然相對論的數學可以極好地描述時空的屬性，但並不涉及到表面之下時空的本質。我們只能從頭開始，四處尋找觀測上的線索。從最大的星繫到最小的粒子，從最乏味的無線電波到最亮的光線，宇宙中的一切都沉浸在時空當中，因此必定會以某種方式與其相互作用。於是，這個問題變成了——這些相互作??用是否會在信號中留下任何我們可以測量或者解讀的印跡，進而可以讓我們目睹時空真實的物理特性。義大利羅馬薩皮恩扎大學的喬萬尼·阿梅利諾－卡梅利亞（Giovanni Amelino-Camelia）說：「這是一個漂亮的問題，而我們才剛剛開始去回答它。」

2005年，我們似乎瞥見了它的答案。大型大氣伽馬射線成像切倫科夫望遠鏡（MAGIC），位於西班牙的加那利群島，由一系列巨型接收器組成，用來探測宇宙中能量最高的光線——伽馬射線。那一年的6月30日夜晚，MAGIC探測到了5億光年以外的星系馬卡良501中心巨型黑洞發出的伽馬射線爆發。這一現象本身很平常。我們的理論預言，每當有東西落入黑洞時，都會產生一波輻射爆發。但劇烈到足以被地球上的望遠鏡——哪怕是類似MAGIC這樣強大的探測器——捕捉到的爆發，卻實屬鳳毛麟角。馬卡良501星系中的這次爆發，是同類事件中第一個被我們觀測到的。

量子泡沫

詳細的分析發現，這一爆發具有一些明顯的不同尋常之處：低能輻射似乎比高能輻射提前4分鐘抵達地球。如果時空真的按照愛因斯坦的相對論來運轉，這種現象就應該是不可能出現的。在相對論的平滑時空中，所有的光都以相同的速度傳播，與它們攜帶能量的高低無關。不過，這一現象與相對論的那些競爭對手倒是完全相容，後者試圖根據量子力學來描述時空。量子力學是一種與廣義相對論完全獨立且互不相容的理論，旨在解釋除引力之外其他任何東西的運轉機制。

在量子理論中，沒有東西是靜態或者確定的。在極短暫的時間裡，粒子和能量可以漲落、創生或者消失。許多量子引力理論，試圖統一我們對時空、引力和量子力學的描述。這些理論認為，真正的時空也是類似：並非是一個平滑的連續體，而是一團翻騰的量子泡沫，沒有明確定義的表面。愛因斯坦平滑起伏的時空景觀，變得更像是一個波濤洶湧的海景，粒子和輻射想要通過這片「海域」，就必須自己闖出一條去路。波長較長的低能光子類似龐大的遠洋輪，很大程度上可以不受干擾地通過量子泡沫海。另一方面，波長較短的高能光子則更像是小艇，需要劈波斬浪。

1998年，阿梅利諾－卡梅利亞和當時在歐洲核子研究中心（CERN）的約翰·埃利斯（John Ellis）提出，遙遠的活動星系核發出的高能光子可以用來檢驗這一效應。遙遠的距離可以使得哪怕是微小的效應，累積成可以探測的時間延遲。乍看之下，這正是MAGIC觀測到的現象。

MAGIC望遠鏡真的捕捉到了量子時空泄露出來的蛛絲馬跡了嗎？圖片來源：《新科學家》

然而，在物理學中，很少有事情會這麼簡單，MAGIC的觀測結果引發了熱烈的討論。「這已經變得相當富有戲劇性了，」德國馬普物理學研究所參與過最初這一發現的羅伯特·瓦格納（Robert Wagner）如此評論。2006年7月，位於納米比亞內陸的伽馬射線望遠鏡高能立體系統（HESS）探測到了另一次劇烈爆發，成為了檢驗這一理論的絕佳機會。出現爆發的星系PKS 2155-304，到地球的距離是馬卡良501的4倍，因此它的時間延遲效應理應更大才對。

但是，什麼都沒有發生。「我們沒有看到任何時間延遲的跡象，」信號分析團隊成員、法國皮埃爾和瑪麗·居里大學的阿格涅斯卡·揚丘爾科斯卡（Agnieszka Jacholkowska）說。不管時空到底是什麼，但只要我們假設時空是處處相同的，這就表明，在馬卡良501星系的伽馬射線中觀測到的時間延遲，只跟輻射源自身的內在特性有關。這很好解釋：既然粒子會沿著星系中心附近的磁場被加速，這自然會導致低能伽馬射線率先被發射出來。然而，由於沒有人確切知道在這些星系黑暗的中心究竟發生了什麼，因此仍為辯論留下了充足的餘地。

事情一直持續到2013年，直到我們在地球上觀測到了迄今見過的能量最高的伽馬射線。

這些射線來自一個伽馬暴——這種時間短、強度高的伽馬射線爆發，源自超巨星死亡時的爆炸，而非活動星系核。伽馬暴極為明亮，現代望遠鏡可以看到遍佈於整個宇宙中的這些爆發。這也意味著，它們發出的光已經歷了幾十億年的時空之旅。

即便如此，2013年4月27日，美國宇航局（NASA）費米望遠鏡觀測到的伽馬暴GRB 130427A仍令人吃驚。它朝地球射出的高能伽馬射線是普通伽馬暴的10倍，其中還包含了一個高能伽馬光子，攜帶的能量相當於可見光光子的350億倍。在幾小時內，自動警報被發送到了世界各地的天文台，一系列望遠鏡對它進行了觀測。

阿梅利諾－卡梅利亞也是收到警報的科學家之一。2013年5月，他和同事公布了一篇論文，聲稱在該伽馬暴的低能和高能伽馬射線之間，出現了長達數百秒的時間延遲（參見arxiv.org/abs/1305.2626）。阿梅利諾－卡梅利亞說：「這些結果非常好，是第一次獲得有關這一現象的強有力證據。」

說它強有力是因為，不同能量的光子到達地球的時間，有可能與一個簡單方程的預言相符。從數學的角度上來看，這一關係是令人滿意的，興許還能幫助我們了解，如果相對論確實存在問題，那麼超越它的理論看上去會是什麼樣子：要知道，不同的量子引力對時空有著不同的描述，它們對光線也有著不同的影響。

在弦論中，除了通常的三維空間和一維時間之外，量子時空還有6個額外的空間維度。不同能量的光子在其中傳播的方式，與另一種量子引力理論——圈量子引力所預言的，必然大不相同。還有一種流行的理論，則把時空想像成了由交織在一起的環所構成的某種「鎖子甲」。

目前，阿梅利諾－卡梅利亞已經禁止他的團隊去研究，在這些相互競爭的理論當中，哪個理論的預言最接近他們的測量結果。他說：「就目前而言，我認為，把『理論上我們希望大自然是什麼樣子』和『事實上大自然真正是什麼樣子』區分開來，這一點很重要。」

相反，他們下一階段的工作，是把用來預言時間延遲的方程，應用到其他伽馬暴上。在那篇論文中，阿梅利諾－卡梅利亞和他的團隊指出，還有另外4個伽馬暴的時間延遲與該方程一致，不過這些佐證都不具有決定性。

其他人沒有發現任何類似的證據。就在阿梅利諾－卡梅利亞的論文公布後幾天，揚丘爾科斯卡和她的同事發表了他們對費米望遠鏡觀測到的其他4個能量較低的伽馬暴的分析結果。他們沒有發現任何的時間延遲現象（參見arXiv.org/abs/1305.3463)。

在揚丘爾科斯卡看來，我們目前無法得出任何明確的結論。因為就像先前對馬卡良501的分析一樣，阿梅利諾－卡梅利亞的解釋做了一個假定，認為伽馬光子無論能量大小，都是同時被發射出來的。埃利斯說，只要是基於單一觀測或者同一類型的射線源，這些解釋就總會存在問題。他說：「只有在兩種不同的現象上發現了類似的效應，你才能夠真正開始認為，你發現了什麼東西。」

中微子也許可以幫助澄清事實。這些幽靈般的粒子幾乎以光速運動，鮮與物質發生相互作用。然而，由於攜帶能量，它們應該會與時空發生相互作用。如果阿梅利諾－卡梅利亞是正確的，它們也會出現與其自身攜帶能量多少有關的時間延遲效應。不過，這需要我們能夠觀測足夠遙遠的中微子，只有這樣，延遲效應才能累積到可觀測的程度。

但這也是個問題。核聚變反應使得太陽成為了一個巨大的中微子工廠，來自太陽的中微子幾乎淹沒了所有更遙遠的地方發來的中微子信號。除了太陽中微子，迄今我們觀測到的唯一一批宇宙中微子，來自超新星SN 1987A，爆發於距離地球17萬光年的大麥哲倫雲中。對於用中微子來顯現可測量的時間延遲來說，這仍然太近了。

決定性的幫助可能就在眼前了。冰立方（IceCube）是埋藏在南極冰層之下、體積達到1立方千米的中微子探測器，2011年起已經完全投入使用。2012年4月，它發現了令科學家議論紛紛的兩個中微子，分別被命名為伯特和厄尼（源於電視節目「芝麻街」中的兩個角色）。它們具有的能量遠遠超出太陽所能產生的範圍。美國費米實驗室的丹·胡珀（ Dan Hooper）認為，對此的唯一解釋是，它們可能來自於伽馬暴。他說：「能讓一個粒子具有如此之高能量的機制並不很多，伽馬暴高居首位。」就在最近，冰立方宣布進一步發現了26個可能來自銀河系外的中微子。

位於南極冰層之下的冰立方，已經探測到了來自銀河系外的宇宙中微子。圖片來源：dailygalaxy.com

阿梅利諾－卡梅利亞認為，他在冰立方的早期數據中還發現了另外3個銀河系外的中微子——它們與量子時空效應的想法完美相符。它們飛來的方向與3個彼此獨立的伽馬暴大致相符，但如果它們真由這些伽馬暴產生，它們到達地球的時間就比伽馬光子早了幾千秒鐘。

由於中微子幾乎不與物質互相作用，光子卻要從坍縮的氣體中尋找出路，因此中微子會比伽馬光子更早地從這顆坍縮的恆星逃逸。但即便考慮到這一點，阿梅利諾－卡梅利亞仍認為，中微子和伽馬光子達到時間之間的巨大差異，與它們和時空相互作用的效果不同是一致的。

埃利斯對此仍持懷疑態度。「每隔一段時間，一些人就會變得有點小興奮，但我不認為眼下有任何在統計意義上算是確鑿的證據，」他說，「其中的一個問題是，非凡的結論需要有非凡的證據，所以你要做的就是找到真正具有說服力的證據。」

要找到這樣的證據，就不可避免地需要更先進的望遠鏡，讓我們能夠更迅速地探測更多的γ射線和中微子。瓦格納參與了一項涉及23個國家、1000多名科研人員的國際合作，旨在建造MAGIC和HESS更為巨大的後繼者——切倫科夫望遠鏡陣列。它的靈敏度將提高10倍，有能力每年探測到10到20個活動星系爆發。經過3年的技術開發和定址工作，該項目正在尋求2億歐元的資金，來把這架望遠鏡變成現實。

它最終會讓我們睜開眼睛，看清周圍的時空景觀嗎？參與其中的科學家希望如此。瓦格納說：「我們沒有理由悲觀。」找到任何類型的時空結構，都將是一場超越愛因斯坦的革命，會向我們指明物理學界正在苦苦追尋的未來前進的方向。胡珀說：「它的重要性，說得再誇張，也不為過。」

編譯自：《新科學家》，Warning light