刺破相对论的星光?

释放双眼,带上耳机,听听看~!

来自遥远星系的奇怪信号也许会在爱因斯坦的时空理论中引发动荡。

我们生活在一个不可见的景观之中:虽然无法直接感知它,但我们却可以确定我们所能看到和做到的。从绕太阳公转的行星、到飞向月球的火箭、再到不小心掉到地上的铅笔,这个景观中的每一个物体都遵循其潜移默化的规律。每一次我们负重上山或者上楼时,都在与之对抗。

这就是时空景观:物理宇宙的基本结构,抑或就是现实本身。虽然我们看不到它的跌宕起伏,但我们却能感受到它,即引力。由物理学家赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)在20世纪发展,并为阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论所采用,“时空”已成为整个物理学中最强大的概念之一。

但有一个恼人的问题:没有人知道它是什么。爱因斯坦把时空设想成一个完全光滑的表面,它会被恒星、行星和星系的引力所弯曲。然而,由各种天体所发出的信号却暗示着一些不同的东西。如果这些有争议的观测被证实,那这将表明现实景观会比爱因斯坦所认为的更加粗糙。这意味着他对时空或者引力的描述并不完善,我们对宇宙的根本认识需要修改。

在爱因斯坦之前,空间和时间被认为是宇宙分立的属性。对于艾萨克·牛顿(Isaac Newton)来说,它们是被创造出的刚性框架,甚至是上帝的某种实施方案——一种上帝审视这个世界的“感觉中枢”——引力和运动全然是其旨意的体现。对于许多人来说,这一观点过于特立独行地神学化,于是牛顿的宗教解释很快就靠边站了。但很少有人质疑其背后的科学。

直到19世纪中叶人们才发现,牛顿力学无法解释水星绕太阳公转轨道中的细微之处。但爱因斯坦的相对论却可以,不过需要把时间和空间融合成一个在数学上无法区分的整体。在其中,影响一方的事情也会影响到另一方,时间和空间则成为了时空连续体。

虽然相对论的数学可以非常好地描述时空的属性,但却不涉及其基本性质。这需要我们从头开始四处寻找观测上的线索。从最大的星系到最小的粒子,从最乏味的无线电波到最亮的光线,宇宙中的一切都沉浸在时空中,因此必定会以某种方式与其相互作用。于是,这个问题变成了这些相互作​​用是否会在信号中留下任何我们可以测量或者解读的印迹,进而可以让我们目睹时空真实的物理特性。“这是一个漂亮的问题,我们正处于回答它的开端,”意大利罗马萨皮恩扎大学的乔凡尼·阿梅利诺-卡梅利亚(Giovanni Amelino-Camelia)说。

2005年,我们似乎瞥见了它的答案。位于西班牙的加那利群岛,大型大气γ射线成像切伦科夫望远镜(MAGIC)由一系列的巨型接收器组成,用来探测宇宙中能量最高的光线:γ射线。在6月30日的夜晚,该阵列探测到了从5亿光年远的星系马卡良501中心巨型黑洞所发出的γ射线爆发。这本身很平常。我们的理论预言,每一次有东西落入黑洞都会产生一波辐射爆发。但剧烈到足以能被地球上的望远镜——即使是类似MAGIC这样强大的探测器——捕捉到的爆发却是凤毛麟角,而这一马尔卡良爆发则是该类型事件中第一个被观测到的。

刺破相对论的星光?
[图片说明]:大型大气γ射线成像切伦科夫望远镜(MAGIC)由一系列的巨型接收器组成,用来探测宇宙中能量最高的γ射线。来源:ASPERA/R Wagner (MPI)。

量子泡沫

详细的分析发现这一爆发具有一些明显的不同寻常之处:其低能辐射似乎比高能辐射提前了4分钟达到地球。如果时空是按照爱因斯坦的相对论来运转的,那这将是一大禁忌。在相对伦的平滑时空中,所有的光都以相同的速度传播,无关乎其能量的高低。但这一现象却与其他的理论完全相容,相对论的这些竞争对手试图根据量子力学来描述时空。量子力学与广义相对论完全独立且不相容,旨在解释除引力之外其他任何东西的运转机制。

在量子理论中,没有东西是静态或者确定的。在极短暂的时间里,粒子和能量可以涨落、创生或者消失。许多量子引力理论——可以统一我们对时空和引力以及量子力学的描述——认为真正的时空也与之类似:并非是一个平滑的连续体,而是一团翻腾的量子泡沫,没有明确定义的表面。爱因斯坦起伏的景观变得更像是一个波涛汹涌的海景,通过它的粒子和辐射必须闯出自己的去路。波长较长的低能光子类似远洋轮,很大程度上可以不受干扰地通过量子泡沫海。另一方面,波长较短的高能光子则更像劈波斩浪的小艇。

1998年,阿梅利诺-卡梅利亚和当时在欧洲核子研究中心(CERN)的约翰·埃利斯(John Ellis)提出,从遥远的活动星系核所发出的高能光子可以用来检验这一效应。遥远的距离可以使得哪怕是微小的效应也可以累积成可探测的时间延迟。乍看之下,这正是MAGIC所观测到的。

然而,在物理学中,很少有事情会这么简单,MAGIC的观测结果引发了热烈的讨论。“这已经变得相当的戏剧性,”参与这一最初发现的、德国马普物理学研究所的罗伯特·瓦格纳(Robert Wagner)说。当位于纳米比亚内陆的γ射线望远镜高能立体系统(HESS)在2006年7月探测到另一次剧烈爆发时,它成为了检验这一理论的绝佳机会。出现爆发的星系PKS 2155-304其距离是马卡良501到地球的4倍,因此其时间延迟效应应该更大。

但是……什么也没有看到。“我们没有看到任何时间延迟的迹象,”其信号分析团队的成员、法国皮埃尔和玛丽·居里大学的阿格涅斯卡·扬丘尔科斯卡(Agnieszka Jacholkowska)说。如果我们不管时空到底是什么,但假设它是处处相同的,那么这表明在马卡良501γ射线暴中所观测到的时间延迟与其自身的内在特性有关。例如,可以想象,粒子会沿着星系中心附近的磁场被加速,这会自然而然地导致低能γ射线率先被发射出来。然而,由于没有人确切知道在这些星系黑暗的中心究竟发生了些什么,因此仍为辩论留下了充足的余地。

事情一直持续到去年,直到我们在地球上观测了到迄今能量最高的γ射线。

它来自一个γ射线暴:源自超巨星死亡时的爆炸而非活动星系核的短时间高强度γ射线爆发。γ射线暴极为明亮,现代的望远镜可以看到遍布于整个宇宙中的这些爆发,这也意味着它们所发出的光已经历了几十亿年的时空之旅。

即便如此,2013年4月27日由美国宇航局费米望远镜所观测到的γ射线暴GRB 130427A仍令人吃惊。它朝地球射出的高能γ射线是普通γ射线暴的10倍,其中还包括了一个γ射线光子其携带了350亿倍于可见光光子的能量。在几小时内自动警报被发送到了世界各地的天文台,一系列的望远镜对其进行了观测。阿梅利诺-卡梅利亚也在收到警报的科学家之列。 2013年5月,他和他的同事们公布来一篇论文,声称在这一爆发的低能和高能γ射线间发现了长达数百秒的时间延迟(arxiv.org/abs/1305.2626)。“这些结果非常得好。这是第一次获得有关这一现象的强有力证据,”阿梅利诺-卡梅利亚说。

之所以说它强有力是因为,与对马卡良501的观测不同,不同能量光子的到达时间与一个简单方程所预言的相符。这一关系在数学上令人易于接受,它兴许还能帮助我们了解,如果相对论确实存在问题,那么超越它的理论看上去会是什么样子:不同的量子引力对时空有着不同的描述,它们对光线也有着不同的影响。

例如,在弦论中,除了通常的三维空间和一维时间之外,量子时空还有6个额外的空间维度。不同能量的光子在其中传播的方式会与由圈量子引力所预言的有所不同,另一种流行的理论则把时空想象成了由交织在一起的环所构成的一种锁子甲形式。

目前,阿梅利诺-卡梅利亚已禁止他的团队去研究在这些相互竞争的理论中哪个最接近他们的测量结果。“就目前而言,我认为,把在理论中我们希望大自然是什么样子和根据事实大自然真正是什么样子的区分开,这一点很重要”,他说。

于是,他们下一阶段的工作是把用来预言时间延迟的方程用到其他爆发上。虽然不具有决定性的佐证,但在论文中阿梅利诺-卡梅利亚和他的团队报告了时间延迟与该方程一致的另外4个γ射线暴。

在其他的γ射线暴身上还没有发现这样的证据。就在阿梅利诺-卡梅利亚的论文公布后几天,扬丘尔科斯卡和她的同事发表了他们对费米望远镜所观测的其他4个能量较低的γ射线暴的分析结果。他们没有发现任何的时间延迟现象(arXiv.org/abs/1305.3463)。

在扬丘尔科斯卡看来,我们目前无法得出任何明确的结论。因为就像之前的对马卡良501的分析一样,阿梅利诺-卡梅利亚的解释做了一个假定,认为无论能量大小γ射线光子都是同时被发射出来的。埃利斯说,只要这些解释都基于单一的观测或者同一类型的源,它总会是个问题。“如果你发现两种效应有着相似的效果,那你需要开始认真思考你所发现的东西,”他说。

中微子也许可以帮助澄清事实。这些幽灵般的粒子几乎以光速运动,鲜与物质发生相互作用。然而,由于携带有能量,因此它们应该会与时空发生相互作用。如果阿梅利诺-卡梅利亚是正确的,它们也会出现与其自身所携带能量多少有关的时间延迟效应。不过这需要我们能够观测足够遥远的中微子,只有这样这一效应才能累积到可观测的程度。

但这也是个问题。核聚变反应使得太阳成为了一个巨大的中微子工厂,但随着距离的增大其信号会越来越弱。除了太阳中微子,迄今我们所观测到唯一宇宙中微子来自距离地球17万光年的大麦哲伦云中爆发的超新星SN 1987A。对于用中微子来显现可测量的时间延迟来说,这仍然太近了。

决定性的帮助也许就在眼前。冰立方是埋藏在南极冰层之下体积达1立方千米的中微子探测器,于2011年起已完全投入使用。2012年4月,它发现了令科学家们议论纷纷的两个中微子。根据电视节目芝麻街中的两个角色,它们分别被称为伯特和厄尼,它们所具有的能量要远远超出太阳所能产生的范围。美国费米实验室的丹·胡珀( Dan Hooper)认为,对此的唯一解释是它们可能来自一个γ射线暴。“能让一个粒子具有如此之高能量的机制并不很多。γ射线暴高居首位,”他说。就在最近,冰立方宣布进一步发现了26个可能来自银河系之外的中微子。

阿梅利诺-卡梅利亚认为他在冰立方的早期数据中还发现了另外3个河外的中微子——它们与量子时空效应的想法完美相符。它们飞来的方向与3个彼此独立的γ射线暴大致相符,但如果它们真的是由这些爆发所产生的话,那它们到达地球的时间比γ射线光子要早了几千秒。

由于中微子难以和物质互相作用,而光子则要从坍缩的气体中寻找出路,因此中微子会比γ射线更早地从这颗坍缩的恒星逃逸。但即使考虑到这一点,阿梅利诺-卡梅利亚仍认为,中微子和γ射线光子达到时间之间的巨大差异与它们和时空相互作用的效果不同是一致的。

埃利斯则仍持怀疑态度。“每隔一段时间,一些人就会变得有点小兴奋,但我不认为眼下有任何在统计意义上是确凿的证据,”他说,“其中的一个问题是,非凡的结论需要有非凡的证据,所以你要做的就是找到真正具有说服力的证据。”

这将不可避免地需要能更迅速地探测更多γ射线和中微子的大望远镜。瓦格纳参与了一项涉及到来自23个国家超过1000多名科研人员的国际合作,旨在建造MAGIC和HESS更为巨大的后继者——切伦科夫望远镜阵列。它的灵敏度将提高10倍,可以每年探测到10~20个活动星系爆发。主要受资助于德国、西班牙和英国政府,经过3年的技术开发和寻址,目前该项目正在寻求2亿欧元的资金来把这架望远镜变成现实。

它最终会让我们睁开眼睛窥视周围的景观吗?有关人士希望如此。“我们没有理由悲观,”瓦格纳说。寻找到任何类型的时空结构都将是一场超越爱因斯坦的革命,它会向我们展示出物理学为之奋进的未来道路。“其重要性说得再夸张也不为过,”胡珀说。

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