伽马射线暴、真空泡和超对称

■ 陈壮叔

在20世纪60年代，美国军用卫星观测到了伽马射线暴，由此引起了天文界的兴趣，并成为最大的天文学困惑之一。由于暴的时间短暂，故长期未能对暴精确定位，理论界对暴的机制也众说纷纭。直到20世纪90年代初，加利福尼亚大学的胡斯累提出塌缩星模型（目前被视为标准模型，可是在观测上未能获得理想的结果），在这徘徊之际，突起异军。最近，克策凡立提出了伽马暴成因的超对称说，虽争议颇多，但他却自认，此说出自宇宙学的最新成就。

在整个宇宙的每一个角落，时空一直在冒泡，它们不时地进入存在，又塌缩回星空。在极大部分时刻，泡是无害的，但在任一时刻，它都可能释放灾难性的后果，撕裂整个空间，毁灭宇宙和其中的一切。不过，在宇宙诞生的130余亿年来，还没有出现过这样的杀手论。而克策凡立相信，时空泡每天都在撕裂星球。若他是对的，那么宇宙要比我们所认识的危险得多。

这是一个有争议的思想。亚拉巴马大学的克策凡立作为一位物理学家，他说，冒泡宇宙的思想出于这一概念，即空间可存在于不同的状态，就如同水，按其所含的能量，分别处于固态、液态和气态。1998年，天文学家发现宇宙在加速膨胀，而不是如人们想象的那样，膨胀应减速下来。后来宇宙学家解释说，这是由于宇宙真空空间充满了神秘的暗能量。

没有人知道暗能量是什么东西，但它的存在说明空间远不是一个没有东西的、真正真空的无。而含有暗能量的假真空，可衰变成真真空，而这种衰变是一个量子过程，带有自发性。

计算表明，在空间中，衰变成真真空的概率是非常小的。即使如此，真空衰变过程还是引起了科学家的兴趣，因为在整个宇宙中，真真空的泡一直在自发地形成。泡的大小不同，按量子论的定律，倾向于形成微小泡。泡一旦形成，它要么成长，要么塌缩，这取决于它的大小和周围的密度。

物理学家认为，不仅在宇宙空间会出现真空泡，即使在物质中也会形成泡。克策凡立说，若出现在白矮星内部，那就会造成灾难性的后果。

白矮星其实是超密的恒星核心。当恒星燃尽其核燃料后，在其自身物质的引力下，塌缩到地球般大小。阻止白矮星进一步挤压的唯一原因，是原子中电子的相互斥力。泡利不相容原理说，原子中不能容纳运动状态完全相同的两个电子。

电子需要不小的能量来抵制引力的挤压，这意味着白矮星是散布在宇宙中的能量库。最近，克策凡立等人研究了这个问题：若电子一旦不遵守泡利原理，那会发生什么情况呢？他说，“在那种情况下，它们将塌缩到一起”。继而，电子用来抗拒引力挤压的能量将在一瞬间以伽马射线的形式放射出来。

按他们的计算，在这种条件下，一颗白矮星能自发地恢复生命。然后在2秒内，这个复活的星球尸体又转变成黑洞，此时，它将释放大量能量，整个宇宙都将看到这个伽马射线暴。

这岂不是不顾泡利原理的反科学吗？不，这是可能的。只要一个有名的科学理论允许即可。这个理论就是超对称论，它形成于20世纪70年代。在人们寻找一种单一、统一力的（即把我们今天所见的四种基本力整合在一起。）努力中，超对称论就此脱颖而出。

根据超对称论，我们今天所见的各种粒子，都有各自的较重的伙伴（粒子）。迄今，还没有人见到过这种超对称伙伴，那是因为现在没有一座粒子加速器，其能量足以产生超对称伙伴。但若超对称是正确的，那么大爆炸后的第一个瞬间，宇宙可能被夸克和轻子的超对称伙伴所淹没（它们被称为S夸克和S轻子，都在单一力的控制之下）。

而一般粒子与它们的超对称伙伴之间的主要不同，在于它们的量子特性（自旋）。正是自旋禁止两个以上电子占有同一空间，但是这个限制不适用于电子的超对称伙伴——S电子。

在婴儿宇宙中，电子和S电子具有相同的质量，且能不断地相互转换。但随着宇宙的膨胀和冷却，超对称破缺了，伙伴粒子获得额外的质量，并脱开了它们较轻的伙伴，电子跟S电子就此分手。

根据克策凡立的计算，超对称可在任何真真空泡中存在。若在白矮星内涌现出一个泡，它将在这种超密环境中成长，并在几秒内撕破这颗死星。当泡吞没这颗死星时，超对称将重新出现，而电子将再一次跟它的S电子相互替换，摆脱了泡利原理的束缚。一个具有S电子的白矮星，将在伽马射线暴中塌缩成黑洞。

不过宇宙的其余部分不会遭殃。克策凡立的理论说，当泡碰上白矮星表面时，它会停止膨胀，这是因为受到周围低密度空间的阻挠。

克策凡立关于伽马暴的超对称说颇有争议，大多数天体物理学家并不认同。但克策凡立说，那是因为他们迄今尚没有认识到，生活在一个超对称统治的宇宙中的真实意义。虽然超对称是一个受尊重的理论，但至今尚无实验或观测的证据。因此，克策凡立知道，把超对称视为伽马暴的成因，在许多人眼里无异于邪说。

现在事态似乎发生了变化，克策凡立的理论已在一些著名的杂志上发表。这是因为，随着观测到更多的伽马暴，人们发现很难完全跟塌缩星理论相吻合。塌缩星模型是建立在30倍以上太阳质量的基础上的，当它在自身引力下塌缩成黑洞时，就辐射出伽马射线。该模型的支持者曼生说：“迄今，这个模型有一两个观测过的伽马暴做后盾。我想，要做出定论，得看塌缩星模型是否能跟所有观测到的伽马暴吻合。”此外，人们还对喷流的机制感到疑惑，这种物质喷流出自黑洞近旁，并被加速到近光速。

曼生希望天文学家从观察活动星系和太阳中取得一些线索，它们也放射高速喷流。“我想，活动星系和太阳耀斑是一个连续体（指其喷流）的另一端。而磁力驱动的喷流可发生在许多（能量）量级上。”若他是对的，那么仅需数学上下工夫就行了。

而克策凡立理论的一个优点，是它没有喷流的麻烦。根据他的模型，伽马暴是超对称反应的自然结果。观测似乎也支持他。而塌缩星模型在伽马暴发生时，还伴有光学暴。但在实际观测上，只能见到一些伽马暴有光学余晖。

塌缩星模型的支持者争辩说，这可能是由于伽马暴处在空间的尘埃区域，尘埃遮住了可见光。但更多的人相信，那是由于望远镜的动作不够快，未能抓住迅速衰减的余晖。当天文学家在爆炸时刻之内，很好地将望远镜对准伽马暴，确实“暗”暴的数目下降了。虽然余晖比天文学家预期的还要暗，但仍有大约1/5的伽马暴完全看不到余晖。

不过，克策凡立理论也有不少地方有待改进。例如，望远镜看到伽马暴的形状有如笔形，而在其模型中，伽马射线朝着各方向射出。为此，他的小组在计算机上对一个被真空衰变吞没的白矮星做了模拟，结果令人鼓舞。在白矮星内，S电子密度的起伏在发出伽马暴时被放大了。随着伽马射线穿过周围的S电子云，它们进一步激发同一方向的放射，这种情况十分类似于激光器发出的狭窄射束。这暗示出，伽马暴倾向于对某个方向加强其射束。

当伽马暴在一片疑云中时隐时现的时刻，人们都在等待美国航空航天局雨燕X射线天文台的观测数据，这是专门为观测伽马暴而设计的。当伽马暴出现时，它能即刻搜索1/6的天空，并在几秒之内对准其位置，观测伽马暴和其X射线辐射。它的光学镜指向暴的光学余晖。

至今，雨燕X射线天文台已运行近10年了。很快，天文学家将知道，克策凡立的模型是否具有追随价值。雨燕X射线天文台能从几百个伽马暴中捕捉到伽马射线、X射线、紫外线和可见光。若伽马暴有光学余晖，它的紫外和光学镜将看到它们，若光学余晖比预期的少，那么塌缩星模型至少须做重大修改。而这正是克策凡立想要的缺口，以使天文学家认真对待他的理论。