伽馬射線暴、真空泡和超對稱

■ 陳壯叔

在20世紀60年代，美國軍用衛星觀測到了伽馬射線暴，由此引起了天文界的興趣，并成為最大的天文學困惑之一。由于暴的時間短暫，故長期未能對暴精確定位，理論界對暴的機制也眾說紛紜。直到20世紀90年代初，加利福尼亞大學的胡斯累提出塌縮星模型（目前被視為標準模型，可是在觀測上未能獲得理想的結果），在這徘徊之際，突起異軍。最近，克策凡立提出了伽馬暴成因的超對稱說，雖爭議頗多，但他卻自認，此說出自宇宙學的最新成就。

在整個宇宙的每一個角落，時空一直在冒泡，它們不時地進入存在，又塌縮回星空。在極大部分時刻，泡是無害的，但在任一時刻，它都可能釋放災難性的后果，撕裂整個空間，毀滅宇宙和其中的一切。不過，在宇宙誕生的130余億年來，還沒有出現過這樣的殺手論。而克策凡立相信，時空泡每天都在撕裂星球。若他是對的，那么宇宙要比我們所認識的危險得多。

這是一個有爭議的思想。亞拉巴馬大學的克策凡立作為一位物理學家，他說，冒泡宇宙的思想出于這一概念，即空間可存在于不同的狀態，就如同水，按其所含的能量，分別處于固態、液態和氣態。1998年，天文學家發現宇宙在加速膨脹，而不是如人們想象的那樣，膨脹應減速下來。后來宇宙學家解釋說，這是由于宇宙真空空間充滿了神秘的暗能量。

沒有人知道暗能量是什么東西，但它的存在說明空間遠不是一個沒有東西的、真正真空的無。而含有暗能量的假真空，可衰變成真真空，而這種衰變是一個量子過程，帶有自發性。

計算表明，在空間中，衰變成真真空的概率是非常小的。即使如此，真空衰變過程還是引起了科學家的興趣，因為在整個宇宙中，真真空的泡一直在自發地形成。泡的大小不同，按量子論的定律，傾向于形成微小泡。泡一旦形成，它要么成長，要么塌縮，這取決于它的大小和周圍的密度。

物理學家認為，不僅在宇宙空間會出現真空泡，即使在物質中也會形成泡。克策凡立說，若出現在白矮星內部，那就會造成災難性的后果。

白矮星其實是超密的恒星核心。當恒星燃盡其核燃料后，在其自身物質的引力下，塌縮到地球般大小。阻止白矮星進一步擠壓的唯一原因，是原子中電子的相互斥力。泡利不相容原理說，原子中不能容納運動狀態完全相同的兩個電子。

電子需要不小的能量來抵制引力的擠壓，這意味著白矮星是散布在宇宙中的能量庫。最近，克策凡立等人研究了這個問題：若電子一旦不遵守泡利原理，那會發生什么情況呢？他說，“在那種情況下，它們將塌縮到一起”。繼而，電子用來抗拒引力擠壓的能量將在一瞬間以伽馬射線的形式放射出來。

按他們的計算，在這種條件下，一顆白矮星能自發地恢復生命。然后在2秒內，這個復活的星球尸體又轉變成黑洞，此時，它將釋放大量能量，整個宇宙都將看到這個伽馬射線暴。

這豈不是不顧泡利原理的反科學嗎？不，這是可能的。只要一個有名的科學理論允許即可。這個理論就是超對稱論，它形成于20世紀70年代。在人們尋找一種單一、統一力的（即把我們今天所見的四種基本力整合在一起。）努力中，超對稱論就此脫穎而出。

根據超對稱論，我們今天所見的各種粒子，都有各自的較重的伙伴（粒子）。迄今，還沒有人見到過這種超對稱伙伴，那是因為現在沒有一座粒子加速器，其能量足以產生超對稱伙伴。但若超對稱是正確的，那么大爆炸后的第一個瞬間，宇宙可能被夸克和輕子的超對稱伙伴所淹沒（它們被稱為S夸克和S輕子，都在單一力的控制之下）。

而一般粒子與它們的超對稱伙伴之間的主要不同，在于它們的量子特性（自旋）。正是自旋禁止兩個以上電子占有同一空間，但是這個限制不適用于電子的超對稱伙伴——S電子。

在嬰兒宇宙中，電子和S電子具有相同的質量，且能不斷地相互轉換。但隨著宇宙的膨脹和冷卻，超對稱破缺了，伙伴粒子獲得額外的質量，并脫開了它們較輕的伙伴，電子跟S電子就此分手。

根據克策凡立的計算，超對稱可在任何真真空泡中存在。若在白矮星內涌現出一個泡，它將在這種超密環境中成長，并在幾秒內撕破這顆死星。當泡吞沒這顆死星時，超對稱將重新出現，而電子將再一次跟它的S電子相互替換，擺脫了泡利原理的束縛。一個具有S電子的白矮星，將在伽馬射線暴中塌縮成黑洞。

不過宇宙的其余部分不會遭殃。克策凡立的理論說，當泡碰上白矮星表面時，它會停止膨脹，這是因為受到周圍低密度空間的阻撓。

克策凡立關于伽馬暴的超對稱說頗有爭議，大多數天體物理學家并不認同。但克策凡立說，那是因為他們迄今尚沒有認識到，生活在一個超對稱統治的宇宙中的真實意義。雖然超對稱是一個受尊重的理論，但至今尚無實驗或觀測的證據。因此，克策凡立知道，把超對稱視為伽馬暴的成因，在許多人眼里無異于邪說。

現在事態似乎發生了變化，克策凡立的理論已在一些著名的雜志上發表。這是因為，隨著觀測到更多的伽馬暴，人們發現很難完全跟塌縮星理論相吻合。塌縮星模型是建立在30倍以上太陽質量的基礎上的，當它在自身引力下塌縮成黑洞時，就輻射出伽馬射線。該模型的支持者曼生說：“迄今，這個模型有一兩個觀測過的伽馬暴做后盾。我想，要做出定論，得看塌縮星模型是否能跟所有觀測到的伽馬暴吻合。”此外，人們還對噴流的機制感到疑惑，這種物質噴流出自黑洞近旁，并被加速到近光速。

曼生希望天文學家從觀察活動星系和太陽中取得一些線索，它們也放射高速噴流。“我想，活動星系和太陽耀斑是一個連續體（指其噴流）的另一端。而磁力驅動的噴流可發生在許多（能量）量級上。”若他是對的，那么僅需數學上下工夫就行了。

而克策凡立理論的一個優點，是它沒有噴流的麻煩。根據他的模型，伽馬暴是超對稱反應的自然結果。觀測似乎也支持他。而塌縮星模型在伽馬暴發生時，還伴有光學暴。但在實際觀測上，只能見到一些伽馬暴有光學余暉。

塌縮星模型的支持者爭辯說，這可能是由于伽馬暴處在空間的塵埃區域，塵埃遮住了可見光。但更多的人相信，那是由于望遠鏡的動作不夠快，未能抓住迅速衰減的余暉。當天文學家在爆炸時刻之內，很好地將望遠鏡對準伽馬暴，確實“暗”暴的數目下降了。雖然余暉比天文學家預期的還要暗，但仍有大約1/5的伽馬暴完全看不到余暉。

不過，克策凡立理論也有不少地方有待改進。例如，望遠鏡看到伽馬暴的形狀有如筆形，而在其模型中，伽馬射線朝著各方向射出。為此，他的小組在計算機上對一個被真空衰變吞沒的白矮星做了模擬，結果令人鼓舞。在白矮星內，S電子密度的起伏在發出伽馬暴時被放大了。隨著伽馬射線穿過周圍的S電子云，它們進一步激發同一方向的放射，這種情況十分類似于激光器發出的狹窄射束。這暗示出，伽馬暴傾向于對某個方向加強其射束。

當伽馬暴在一片疑云中時隱時現的時刻，人們都在等待美國航空航天局雨燕X射線天文臺的觀測數據，這是專門為觀測伽馬暴而設計的。當伽馬暴出現時，它能即刻搜索1/6的天空，并在幾秒之內對準其位置，觀測伽馬暴和其X射線輻射。它的光學鏡指向暴的光學余暉。

至今，雨燕X射線天文臺已運行近10年了。很快，天文學家將知道，克策凡立的模型是否具有追隨價值。雨燕X射線天文臺能從幾百個伽馬暴中捕捉到伽馬射線、X射線、紫外線和可見光。若伽馬暴有光學余暉，它的紫外和光學鏡將看到它們，若光學余暉比預期的少，那么塌縮星模型至少須做重大修改。而這正是克策凡立想要的缺口，以使天文學家認真對待他的理論。