（文/ Stuart Clark）我們生活在一個(gè)不可見(jiàn)的景觀之中：雖然無(wú)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(yáng)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(gè)景觀中的每一個(gè)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(shí)，都在與之對(duì)抗。
這就是時(shí)空景觀：物理宇宙的基本結(jié)構(gòu)，抑或就是現(xiàn)實(shí)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(shí)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(ài)因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對(duì)論所采用，如今已成為整個(gè)物理學(xué)中最強(qiáng)大的概念之一。
但有一個(gè)惱人的問(wèn)題：沒(méi)有人知道它是什么。愛(ài)因斯坦把時(shí)空設(shè)想成一個(gè)完全光滑的表面，會(huì)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(hào)卻暗示著一些不同的東西。如果這些有爭(zhēng)議的觀測(cè)被證實(shí)，就將表明時(shí)空景觀比愛(ài)因斯坦所認(rèn)為的更加粗糙。這也將意味著，他對(duì)時(shí)空或者引力的描述并不完善，我們對(duì)宇宙的根本認(rèn)識(shí)需要修改。
在愛(ài)因斯坦之前，空間和時(shí)間被認(rèn)為是宇宙分立的屬性。對(duì)于艾薩克·牛頓（Isaac Newton）來(lái)說(shuō)，它們是神創(chuàng)造出來(lái)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(gè)世界的“感覺(jué)中樞”，引力和運(yùn)動(dòng)全然是其旨意的體現(xiàn)。對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，這一觀點(diǎn)過(guò)于特立獨(dú)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(wú)法解釋水星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道中的細(xì)微之處。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論卻可以，不過(guò)需要把時(shí)間和空間融合成在數(shù)學(xué)上無(wú)法區(qū)分的一個(gè)整體。在其中，影響一方的事情也會(huì)影響到另一方，時(shí)間和空間成為了時(shí)空連續(xù)體。
雖然相對(duì)論的數(shù)學(xué)可以極好地描述時(shí)空的屬性，但并不涉及到表面之下時(shí)空的本質(zhì)。我們只能從頭開(kāi)始，四處尋找觀測(cè)上的線索。從最大的星系到最小的粒子，從最乏味的無(wú)線電波到最亮的光線，宇宙中的一切都沉浸在時(shí)空當(dāng)中，因此必定會(huì)以某種方式與其相互作用。于是，這個(gè)問(wèn)題變成了——這些相互作??用是否會(huì)在信號(hào)中留下任何我們可以測(cè)量或者解讀的印跡，進(jìn)而可以讓我們目睹時(shí)空真實(shí)的物理特性。意大利羅馬薩皮恩扎大學(xué)的喬萬(wàn)尼·阿梅利諾－卡梅利亞（Giovanni Amelino-Camelia）說(shuō)：“這是一個(gè)漂亮的問(wèn)題，而我們才剛剛開(kāi)始去回答它。”
2005年，我們似乎瞥見(jiàn)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(lái)探測(cè)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(cè)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(shí)，都會(huì)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(qiáng)大的探測(cè)器——捕捉到的爆發(fā)，卻實(shí)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(gè)被我們觀測(cè)到的。
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(shí)空真的按照愛(ài)因斯坦的相對(duì)論來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象就應(yīng)該是不可能出現(xiàn)的。在相對(duì)論的平滑時(shí)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(wú)關(guān)。不過(guò)，這一現(xiàn)象與相對(duì)論的那些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手倒是完全相容，后者試圖根據(jù)量子力學(xué)來(lái)描述時(shí)空。量子力學(xué)是一種與廣義相對(duì)論完全獨(dú)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(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制。
在量子理論中，沒(méi)有東西是靜態(tài)或者確定的。在極短暫的時(shí)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(duì)時(shí)空、引力和量子力學(xué)的描述。這些理論認(rèn)為，真正的時(shí)空也是類似：并非是一個(gè)平滑的連續(xù)體，而是一團(tuán)翻騰的量子泡沫，沒(méi)有明確定義的表面。愛(ài)因斯坦平滑起伏的時(shí)空景觀，變得更像是一個(gè)波濤洶涌的海景，粒子和輻射想要通過(guò)這片“海域”，就必須自己闖出一條去路。波長(zhǎng)較長(zhǎng)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(guò)量子泡沫海。另一方面，波長(zhǎng)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(shí)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(dòng)星系核發(fā)出的高能光子可以用來(lái)檢驗(yàn)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(cè)的時(shí)間延遲。乍看之下，這正是MAGIC觀測(cè)到的現(xiàn)象。
然而，在物理學(xué)中，很少有事情會(huì)這么簡(jiǎn)單，MAGIC的觀測(cè)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(guó)馬普物理學(xué)研究所參與過(guò)最初這一發(fā)現(xiàn)的羅伯特·瓦格納（Robert Wagner）如此評(píng)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(cè)到了另一次劇烈爆發(fā)，成為了檢驗(yàn)這一理論的絕佳機(jī)會(huì)。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(shí)間延遲效應(yīng)理應(yīng)更大才對(duì)。
但是，什么都沒(méi)有發(fā)生?！拔覀儧](méi)有看到任何時(shí)間延遲的跡象，”信號(hào)分析團(tuán)隊(duì)成員、法國(guó)皮埃爾和瑪麗·居里大學(xué)的阿格涅斯卡·揚(yáng)丘爾科斯卡（Agnieszka Jacholkowska）說(shuō)。不管時(shí)空到底是什么，但只要我們假設(shè)時(shí)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(cè)到的時(shí)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(huì)沿著星系中心附近的磁場(chǎng)被加速，這自然會(huì)導(dǎo)致低能伽馬射線率先被發(fā)射出來(lái)。然而，由于沒(méi)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?cè)诘厍蛏嫌^測(cè)到了迄今見(jiàn)過(guò)的能量最高的伽馬射線。
這些射線來(lái)自一個(gè)伽馬暴——這種時(shí)間短、強(qiáng)度高的伽馬射線爆發(fā)，源自超巨星死亡時(shí)的爆炸，而非活動(dòng)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(gè)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(shí)空之旅。
即便如此，2013年4月27日，美國(guó)宇航局（NASA）費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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(gè)高能伽馬光子，攜帶的能量相當(dāng)于可見(jiàn)光光子的350億倍。在幾小時(shí)內(nèi)，自動(dòng)警報(bào)被發(fā)送到了世界各地的天文臺(tái)，一系列望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行了觀測(cè)。
阿梅利諾－卡梅利亞也是收到警報(bào)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(zhǎng)達(dá)數(shù)百秒的時(shí)間延遲（參見(jiàn)arxiv.org/abs/1305.2626）。阿梅利諾－卡梅利亞說(shuō)：“這些結(jié)果非常好，是第一次獲得有關(guān)這一現(xiàn)象的強(qiáng)有力證據(jù)。”
說(shuō)它強(qiáng)有力是因?yàn)?，不同能量的光子到達(dá)地球的時(shí)間，有可能與一個(gè)簡(jiǎn)單方程的預(yù)言相符。從數(shù)學(xué)的角度上來(lái)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(duì)論確實(shí)存在問(wèn)題，那么超越它的理論看上去會(huì)是什么樣子：要知道，不同的量子引力對(duì)時(shí)空有著不同的描述，它們對(duì)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(shí)間之外，量子時(shí)空還有6個(gè)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(shí)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(tuán)隊(duì)去研究，在這些相互競(jìng)爭(zhēng)的理論當(dāng)中，哪個(gè)理論的預(yù)言最接近他們的測(cè)量結(jié)果。他說(shuō)：“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(shí)上大自然真正是什么樣子’區(qū)分開(kāi)來(lái)，這一點(diǎn)很重要?！?/p>
相反，他們下一階段的工作，是把用來(lái)預(yù)言時(shí)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(tuán)隊(duì)指出，還有另外4個(gè)伽馬暴的時(shí)間延遲與該方程一致，不過(guò)這些佐證都不具有決定性。
其他人沒(méi)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(yáng)丘爾科斯卡和她的同事發(fā)表了他們對(duì)費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的其他4個(gè)能量較低的伽馬暴的分析結(jié)果。他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何的時(shí)間延遲現(xiàn)象（參見(jiàn)arXiv.org/abs/1305.3463)。
在揚(yáng)丘爾科斯卡看來(lái)，我們目前無(wú)法得出任何明確的結(jié)論。因?yàn)榫拖裣惹皩?duì)馬卡良501的分析一樣，阿梅利諾－卡梅利亞的解釋做了一個(gè)假定，認(rèn)為伽馬光子無(wú)論能量大小，都是同時(shí)被發(fā)射出來(lái)的。埃利斯說(shuō)，只要是基于單一觀測(cè)或者同一類型的射線源，這些解釋就總會(huì)存在問(wèn)題。他說(shuō)：“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(kāi)始認(rèn)為，你發(fā)現(xiàn)了什么東西?！?/p>
中微子也許可以幫助澄清事實(shí)。這些幽靈般的粒子幾乎以光速運(yùn)動(dòng)，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(huì)與時(shí)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(huì)出現(xiàn)與其自身攜帶能量多少有關(guān)的時(shí)間延遲效應(yīng)。不過(guò)，這需要我們能夠觀測(cè)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(cè)的程度。
但這也是個(gè)問(wèn)題。核聚變反應(yīng)使得太陽(yáng)成為了一個(gè)巨大的中微子工廠，來(lái)自太陽(yáng)的中微子幾乎淹沒(méi)了所有更遙遠(yuǎn)的地方發(fā)來(lái)的中微子信號(hào)。除了太陽(yáng)中微子，迄今我們觀測(cè)到的唯一一批宇宙中微子，來(lái)自超新星SN 1987A，爆發(fā)于距離地球17萬(wàn)光年的大麥哲倫云中。對(duì)于用中微子來(lái)顯現(xiàn)可測(cè)量的時(shí)間延遲來(lái)說(shuō)，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(cè)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(gè)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(gè)角色）。它們具有的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出太陽(yáng)所能產(chǎn)生的范圍。美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的丹·胡珀（ Dan Hooper）認(rèn)為，對(duì)此的唯一解釋是，它們可能來(lái)自于伽馬暴。他說(shuō)：“能讓一個(gè)粒子具有如此之高能量的機(jī)制并不很多，伽馬暴高居首位?！本驮谧罱?，冰立方宣布進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了26個(gè)可能來(lái)自銀河系外的中微子。
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(gè)銀河系外的中微子——它們與量子時(shí)空效應(yīng)的想法完美相符。它們飛來(lái)的方向與3個(gè)彼此獨(dú)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(shí)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(huì)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(diǎn)，阿梅利諾－卡梅利亞仍認(rèn)為，中微子和伽馬光子達(dá)到時(shí)間之間的巨大差異，與它們和時(shí)空相互作用的效果不同是一致的。
埃利斯對(duì)此仍持懷疑態(tài)度?！懊扛粢欢螘r(shí)間，一些人就會(huì)變得有點(diǎn)小興奮，但我不認(rèn)為眼下有任何在統(tǒng)計(jì)意義上算是確鑿的證據(jù)，”他說(shuō)，“其中的一個(gè)問(wèn)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(shuō)服力的證據(jù)?！?/p>
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(cè)更多的γ射線和中微子。瓦格納參與了一項(xiàng)涉及23個(gè)國(guó)家、1000多名科研人員的國(guó)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(cè)到10到20個(gè)活動(dòng)星系爆發(fā)。經(jīng)過(guò)3年的技術(shù)開(kāi)發(fā)和尋址工作，該項(xiàng)目正在尋求2億歐元的資金，來(lái)把這架望遠(yuǎn)鏡變成現(xiàn)實(shí)。
它最終會(huì)讓我們睜開(kāi)眼睛，看清周圍的時(shí)空景觀嗎？參與其中的科學(xué)家希望如此。瓦格納說(shuō)：“我們沒(méi)有理由悲觀?！闭业饺魏晤愋偷臅r(shí)空結(jié)構(gòu)，都將是一場(chǎng)超越愛(ài)因斯坦的革命，會(huì)向我們指明物理學(xué)界正在苦苦追尋的未來(lái)前進(jìn)的方向。胡珀說(shuō)：“它的重要性，說(shuō)得再夸張，也不為過(guò)?！?/p>
編譯自：《新科學(xué)家》，Warning light
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