相對論遭到質(zhì)疑

宇宙的基礎結構是時間和空間，但這兩者既看不到又摸不著，我們能感知的只是它們的力——引力。愛因斯坦的廣義相對論把這兩者結合起來，稱為時空，成為現(xiàn)代物理學中最具權威的一個概念。

在近代物理學興起之時，牛頓把時間和空間視為神創(chuàng)的、絕對的。雖然神創(chuàng)論早已被科學界拋棄，但在當時其絕對性仍未被質(zhì)疑。19世紀中期，天文界在對水星的繞日軌道進行研究時，發(fā)現(xiàn)利用牛頓的動力學無法獲得滿意的解釋，直到廣義相對論問世才解決了這一難題。但是，這種解釋必須得把時間和空間合為一個整體，并且兩者相互作用，成為一個時空連續(xù)體。

不過，這一觀點始終有個缺憾——沒有人知道它的基本特性，盡管相對論在數(shù)學上把時空的性質(zhì)描述得很完美。在愛因斯坦看來，它們是一個完整平滑的平面，因恒星、星系等物質(zhì)被彎曲，并產(chǎn)生引力。很明顯，這只是對時空的幾何形態(tài)的描述，并未述及其本質(zhì)特性。

再來看看物理學的另一個臺柱——量子論——是如何看待時間和空間的。在這個把微觀世界描繪得十分成功的理論看來，世界萬物無一處在靜止狀態(tài)，并且都是不確定的。粒子和能量處于起伏狀態(tài)，它們會在最短的時標（在量子效應的影響大于重力效應之下的時間尺度）內(nèi)涌出，繼而湮滅。

最關鍵的是，這兩大理論現(xiàn)在仍處在不相容的狀態(tài)，兩者對時空的表述大不相同。相對論視時間和空間為一個時空連續(xù)體，是一個平滑的四維扁平體；量子論則認為空間是由無數(shù)10^-35米的小點組合而成的，并且從不將時間看成是真實的、可觀察的存在。霍金說過，根據(jù)相對論，時間和空間具有明顯的差別，但是量子論可使這兩者不同的性質(zhì)被抹掉。在越來越接近宇宙的初始點時，時間就越具有跟空間維度相似的特性。這種轉變并非偶然，而是通過不確定性原理，使時間的特性變得越來越模糊，最終從空間中逐漸滲出。不過，霍金沒有把這個觀點發(fā)展成一個系統(tǒng)的理論。

當然，所有這些都是理論家的看法，孰是孰非，得靠觀測事實的驗證。天文學家比我們更著急，他們一直在觀測，試圖從中獲得線索。令人感到欣慰的是，現(xiàn)在總算有了一些眉目。

研究者說，來自各種天體的信號與相對論所預言的有出入。若觀測是可信的，那時空的真實情況就要比愛因斯坦預測的崎嶇得多，相對論的觀念不是時空（或引力）的最終結論。這意味著，我們可能要從根本上改變對宇宙的認識。

研究者認為，宇宙中的萬物，從最大的星系到最小的基本粒子，從最暗的射電輻射到最亮的伽馬射線，都沉浸在時空之中。因此，它們總會以某種方式與其相互作用，而這種相互作用就有可能表現(xiàn)出某種信號，使我們能觀測到，最終得到時空的真貌。意大利羅馬大學的喬萬尼·阿梅利諾·卡梅利亞說：“這是一個漂亮的問題，我們正處在答案的始點?！?/p>

大型大氣伽馬射線切倫科夫成像望遠鏡（MAGIC）設在非洲西北岸的加那利群島，是一個大型的望遠鏡陣列，用來探測伽馬射線。2005年，科學家似乎看到了一個答案。當年6月30日，這一陣列測到了一個伽馬射線暴，它來自馬卡良501星系中心的巨型黑洞，距離我們達5億光年之遙。這是人類首次觀測到如此遙遠的這類輻射。

經(jīng)過仔細分析，科學家發(fā)現(xiàn)這一輻射非同一般，它的低能輻射要比高能輻射早到地球4分鐘。這是一個大問題，因為按照相對論的時空觀，所有的光（不論其能量大小）都以同一速度飛馳。從實際觀測來看，結果倒是與量子論的空間理論相符。

目前有好幾種量子引力論，總的來說，它們的時空觀較為類同，即時空不是一個平滑的連續(xù)體，而是一個躁動的量子泡沫體，且其泡沫沒有明確的表面。愛因斯坦的有起伏的時空景觀，則更像海浪滔滔的洋面，通過這個洋面，粒子和輻射奮力而去。長波的低能光線有如一艘班船，在量子泡沫的海洋中滑行；而短波的高能光線則像一只小的救生船，須在波浪中搏斗前進。

其實早在1998年，卡梅利亞和當時任職于歐洲核子研究所的約翰·埃利斯就曾提出，來自遙遠的活動星系的高能光，可用來測定時滯效應。只要距離較大，即使略小的效應也能測出。而MAGIC正是看到了這個現(xiàn)象。

這些實例在天體物理學上是稀有的，MAGIC的觀測引起了科學界熱烈的討論。2006年6月，類似的伽馬射線望遠鏡高能立體系統(tǒng)（HESS，設在納米比亞）捕捉到另一大星系的伽馬暴。

該星系被稱為PKS2155-304，距離我們20億光年，因此其時間滯后效應理應更為明顯。實際上卻沒有。巴黎第六大學的阿格涅斯卡·揚丘爾科斯卡認為，不管時空到底是什么，但只要我們假設時空處處是相同的，就表明在來自馬卡良501的伽馬射線上觀測到的時滯，是其自身所固有的特性。例如，粒子沿著星系中心的磁場被加速，它首先發(fā)射出低能射線。不過這都是推測，迄今還無法確切知道該星系中心到底發(fā)生了什么。

事情一直拖到了2013年，一個人類從未見過的極高能伽馬射線擊中地球。這是一個伽馬射線暴，是由美國航空航天局的費米望遠鏡于2013年4月27日觀測到的，因此被命名為GRB130427A。它并非來自活動星系的中心，而是一個超大星球的爆炸性死亡，其簇射為一般伽馬暴的10倍。

之后研究者發(fā)表論文指出，他們觀測到了幾百秒的時滯效應（低能與高能伽馬射線之間）。卡梅利亞說：“這個數(shù)據(jù)很顯眼，是有關時滯現(xiàn)象的第一個有力證據(jù)。”

那么，相對論真的被推翻了嗎？其實理論家早就考慮到一種可能：新的觀測結果能讓我們建立新的、更有力的宇宙學。要想充分了解宇宙，我們必須知道它是如何從一個微小的初生宇宙，逐漸變成今日這種狀態(tài)的。因此，我們必須把相對論和量子論結合起來。然而，盡管理論界已經(jīng)花了近30年的時間，但兩者仍處在不相容的境地。

現(xiàn)在，研究者普遍看好兩個量子引力理論，即弦論和圈量子引力理論。前者認為，時空含有十維，除了通常的三維空間和一維時間，其他的六維則蜷縮到我們無法測量的程度；后者把時空想象成一個鎧甲鏈，由無數(shù)相同的圈交織在一起。

再來看一下觀察方面的進展?？防麃喌热擞株懤m(xù)報告了其他四個伽馬暴的觀測數(shù)據(jù)，雖然結果與方程一致，但還沒有獲得結論性的支持。

就在卡梅利亞的報告公開后不久，揚丘爾科斯卡的研究小組分析了另外4個由費米望遠鏡觀測到的低能伽馬暴。不過，他們還是沒有發(fā)現(xiàn)時滯現(xiàn)象。

揚丘爾科斯卡認為，只要這種解釋建立在同類源的單一觀測基礎上，那就不十分可靠。他說：“如果我們找到的效應出自相似的兩個源，就能證明我們確實找到了什么?！?/p>

研究者指出，另一種可清晰觀測的對象就是中微子。中微子實際上以光速運動，且很難跟其他東西相互作用。但它們也攜帶能量，理應跟時空相互作用。如果卡梅利亞的觀點正確，那么中微子也會出現(xiàn)因能量產(chǎn)生的時滯效應。不過，這需要我們觀測足夠遠的中微子，因為只有這樣才能使時滯效應累積到可觀測的程度。然而，迄今我們觀測到的中微子，都是來自太陽和超新星SN1987A的，在觀測時滯效應上，這個距離太近了。

曙光可能就在前方了。冰立方是埋在南極冰層下的中微子探測器，體積達到1立方千米，2011年投入運行。2012年4月，它找到的兩個中微子引發(fā)了一場科學爭論。這兩個中微子的能量比太陽中微子高得多。美國費米實驗室的丹·庫柏說，對此唯一的解釋是它們可能來自伽馬暴，因為“沒有其他東西可使單個粒子擁有如此大的能量”。之后，冰立方又發(fā)現(xiàn)了26個中微子，很可能來自銀河系之外。

卡梅利亞說，他在冰立方早期的記錄中還發(fā)現(xiàn)了另外三個中微子。它們與量子時空所發(fā)生的效應完全吻合，來自三個獨立的伽馬暴。如果得到確認，它們到達地球的時間就比伽馬光子早了幾千秒。

通常認為，中微子來自塌縮星，要比伽馬暴的光更快到達地球，因為它在旅途中不跟其他東西相互作用，而光子卻要從塌縮星的氣體中尋找出路。把這些因素考慮進去，卡梅利亞認為，中微子和伽馬光子到達地球時間的巨大間隔，與它們跟時空相互作用的效應是一致的。但埃利斯對此仍持懷疑態(tài)度，認為“這沒有任何統(tǒng)計學上的堅實證據(jù)”。

或許只有更大的望遠鏡，才能更快、更多地找到伽馬射線和中微子?，F(xiàn)在，一個由來自23個國家1000多位研究者參與的團體，正擬建一個比MAGIC和HESS更大的繼任者。這個切倫科夫陣列的靈敏度將比前者高10倍，每年能發(fā)現(xiàn)10個至20個活動星系的爆發(fā)。

我們最終能看到這個世界的真相嗎？該團體成員瓦格納認為，我們沒有理由悲觀。找到任何類似的時空結構，將是一場可匹敵愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)的革命，物理學正為未來前進的方向尋找道路。