來自遙遠(yuǎn)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(xué)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(zhuǎn)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(guī)律,。每一次我們負(fù)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(jié)構(gòu)，抑或就是現(xiàn)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,?！皶r空”這一概論，由物理學(xué)家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）在20世紀(jì)發(fā)展,，并被阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論所采用,，如今已成為整個物理學(xué)中最強大的概念之一。

但有一個惱人的問題：沒有人知道它是什么,。愛因斯坦把時空設(shè)想成一個完全光滑的表面,，會被恒星、行星和星系的引力所彎曲,。然而,，各種天體發(fā)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(rèn)為的更加粗糙,。這也將意味著，他對時空或者引力的描述并不完善,，我們對宇宙的根本認(rèn)識需要修改,。

在愛因斯坦之前，空間和時間被認(rèn)為是宇宙分立的屬性,。對于艾薩克·牛頓（Isaac Newton）來說,，它們是神創(chuàng)造出來的剛性框架，甚至是上帝的某種具象體現(xiàn),，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(xiàn)。對于許多人來說,，這一觀點過于特立獨行到了神學(xué)范疇,。于是，牛頓的宗教解釋很快就靠邊站了,。但很少有人質(zhì)疑其背后的科學(xué),。

直到19世紀(jì)中葉，人們才發(fā)現(xiàn),，牛頓力學(xué)無法解釋水星繞太陽公轉(zhuǎn)軌道中的細(xì)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(shù)學(xué)上無法區(qū)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(xù)體。

雖然相對論的數(shù)學(xué)可以極好地描述時空的屬性,，但并不涉及到表面之下時空的本質(zhì),。我們只能從頭開始，四處尋找觀測上的線索,。從最大的星系到最小的粒子,，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(dāng)中,，因此必定會以某種方式與其相互作用,。于是，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(jìn)而可以讓我們目睹時空真實的物理特性,。意大利羅馬薩皮恩扎大學(xué)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,?！?/p>

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(yuǎn)鏡（MAGIC）,，位于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(fā)出的伽馬射線爆發(fā),。這一現(xiàn)象本身很平常,。我們的理論預(yù)言，每當(dāng)有東西落入黑洞時,，都會產(chǎn)生一波輻射爆發(fā),。但劇烈到足以被地球上的望遠(yuǎn)鏡——哪怕是類似MAGIC這樣強大的探測器——捕捉到的爆發(fā)，卻實屬鳳毛麟角,。馬卡良501星系中的這次爆發(fā),，是同類事件中第一個被我們觀測到的。

量子泡沫

詳細(xì)的分析發(fā)現(xiàn),，這一爆發(fā)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(dá)地球,。如果時空真的按照愛因斯坦的相對論來運轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象就應(yīng)該是不可能出現(xiàn)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(guān)。不過,，這一現(xiàn)象與相對論的那些競爭對手倒是完全相容，后者試圖根據(jù)量子力學(xué)來描述時空,。量子力學(xué)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(zhuǎn)機制。

在量子理論中,，沒有東西是靜態(tài)或者確定的,。在極短暫的時間里，粒子和能量可以漲落,、創(chuàng)生或者消失,。許多量子引力理論，試圖統(tǒng)一我們對時空,、引力和量子力學(xué)的描述,。這些理論認(rèn)為，真正的時空也是類似：并非是一個平滑的連續(xù)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涌的海景,，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(yuǎn)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(dāng)時在歐洲核子研究中心（CERN）的約翰·埃利斯（John Ellis）提出,，遙遠(yuǎn)的活動星系核發(fā)出的高能光子可以用來檢驗這一效應(yīng)。遙遠(yuǎn)的距離可以使得哪怕是微小的效應(yīng),，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(xiàn)象,。

MAGIC望遠(yuǎn)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(xué)家》

然而，在物理學(xué)中,，很少有事情會這么簡單,，MAGIC的觀測結(jié)果引發(fā)了熱烈的討論。“這已經(jīng)變得相當(dāng)富有戲劇性了,，”德國馬普物理學(xué)研究所參與過最初這一發(fā)現(xiàn)的羅伯特·瓦格納（Robert Wagner）如此評論,。2006年7月，位于納米比亞內(nèi)陸的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡高能立體系統(tǒng)（HESS）探測到了另一次劇烈爆發(fā),，成為了檢驗這一理論的絕佳機會,。出現(xiàn)爆發(fā)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(yīng)理應(yīng)更大才對,。

但是，什么都沒有發(fā)生,?！拔覀儧]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(xué)的阿格涅斯卡·揚丘爾科斯卡（Agnieszka Jacholkowska）說,。不管時空到底是什么，但只要我們假設(shè)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(nèi)在特性有關(guān),。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(dǎo)致低能伽馬射線率先被發(fā)射出來。然而,，由于沒有人確切知道在這些星系黑暗的中心究竟發(fā)生了什么,，因此仍為辯論留下了充足的余地。

事情一直持續(xù)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(fā),，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(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡可以看到遍布于整個宇宙中的這些爆發(fā),。這也意味著，它們發(fā)出的光已經(jīng)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(yuǎn)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(dāng)于可見光光子的350億倍。在幾小時內(nèi),，自動警報被發(fā)送到了世界各地的天文臺,，一系列望遠(yuǎn)鏡對它進(jìn)行了觀測。

阿梅利諾－卡梅利亞也是收到警報的科學(xué)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(xiàn)了長達(dá)數(shù)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(jié)果非常好,，是第一次獲得有關(guān)這一現(xiàn)象的強有力證據(jù),。”

說它強有力是因為,，不同能量的光子到達(dá)地球的時間,，有可能與一個簡單方程的預(yù)言相符。從數(shù)學(xué)的角度上來看,，這一關(guān)系是令人滿意的,，興許還能幫助我們了解，如果相對論確實存在問題,，那么超越它的理論看上去會是什么樣子：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(yù)言的，必然大不相同,。還有一種流行的理論,，則把時空想象成了由交織在一起的環(huán)所構(gòu)成的某種“鎖子甲”。

目前,，阿梅利諾－卡梅利亞已經(jīng)禁止他的團隊去研究,，在這些相互競爭的理論當(dāng)中，哪個理論的預(yù)言最接近他們的測量結(jié)果,。他說：“就目前而言,，我認(rèn)為，把‘理論上我們希望大自然是什么樣子’和‘事實上大自然真正是什么樣子’區(qū)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(yù)言時間延遲的方程,，應(yīng)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(fā)現(xiàn)任何類似的證據(jù),。就在阿梅利諾－卡梅利亞的論文公布后幾天，揚丘爾科斯卡和她的同事發(fā)表了他們對費米望遠(yuǎn)鏡觀測到的其他4個能量較低的伽馬暴的分析結(jié)果,。他們沒有發(fā)現(xiàn)任何的時間延遲現(xiàn)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(jié)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(rèn)為伽馬光子無論能量大小,，都是同時被發(fā)射出來的,。埃利斯說，只要是基于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(xiàn)象上發(fā)現(xiàn)了類似的效應(yīng)，你才能夠真正開始認(rèn)為,，你發(fā)現(xiàn)了什么東西,。”

中微子出馬

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(zhì)發(fā)生相互作用。然而,，由于攜帶能量,，它們應(yīng)該會與時空發(fā)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(xiàn)與其自身攜帶能量多少有關(guān)的時間延遲效應(yīng),。不過，這需要我們能夠觀測足夠遙遠(yuǎn)的中微子,，只有這樣,，延遲效應(yīng)才能累積到可觀測的程度。

但這也是個問題,。核聚變反應(yīng)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(yuǎn)的地方發(fā)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(fā)于距離地球17萬光年的大麥哲倫云中。對于用中微子來顯現(xiàn)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(dá)到1立方千米的中微子探測器,，2011年起已經(jīng)完全投入使用。2012年4月,，它發(fā)現(xiàn)了令科學(xué)家議論紛紛的兩個中微子,，分別被命名為伯特和厄尼（源于電視節(jié)目“芝麻街”中的兩個角色）。它們具有的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出太陽所能產(chǎn)生的范圍,。美國費米實驗室的丹·胡珀（ Dan Hooper）認(rèn)為，對此的唯一解釋是,，它們可能來自于伽馬暴,。他說：“能讓一個粒子具有如此之高能量的機制并不很多，伽馬暴高居首位,?！本驮谧罱⒎叫歼M(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了26個可能來自銀河系外的中微子,。

位于南極冰層之下的冰立方,，已經(jīng)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(rèn)為,，他在冰立方的早期數(shù)據(jù)中還發(fā)現(xiàn)了另外3個銀河系外的中微子——它們與量子時空效應(yīng)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(chǎn)生,，它們到達(dá)地球的時間就比伽馬光子早了幾千秒鐘,。

由于中微子幾乎不與物質(zhì)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恒星逃逸,。但即便考慮到這一點，阿梅利諾－卡梅利亞仍認(rèn)為,，中微子和伽馬光子達(dá)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(tài)度,?！懊扛粢欢螘r間,，一些人就會變得有點小興奮，但我不認(rèn)為眼下有任何在統(tǒng)計意義上算是確鑿的證據(jù),，”他說,，“其中的一個問題是，非凡的結(jié)論需要有非凡的證據(jù),，所以你要做的就是找到真正具有說服力的證據(jù),。”

要找到這樣的證據(jù),，就不可避免地需要更先進(jìn)的望遠(yuǎn)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更為巨大的后繼者——切倫科夫望遠(yuǎn)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(fā),。經(jīng)過3年的技術(shù)開發(fā)和尋址工作，該項目正在尋求2億歐元的資金,，來把這架望遠(yuǎn)鏡變成現(xiàn)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(xué)家希望如此,。瓦格納說：“我們沒有理由悲觀?！闭业饺魏晤愋偷臅r空結(jié)構(gòu),，都將是一場超越愛因斯坦的革命，會向我們指明物理學(xué)界正在苦苦追尋的未來前進(jìn)的方向,。胡珀說：“它的重要性,，說得再夸張，也不為過,?！?/p>

編譯自：《新科學(xué)家》，Warning light