“时空”受到挑战

□ 陈壮叔

“时空”受到挑战

□ 陈壮叔

关于时空

悠悠万事于此惟大，这个“此”是什么？就是时间和空间，它是我们宇宙的基础结构。实际来说，这两者既看不到又摸不着，我们能感知的只是它们的力，即引力。爱因斯坦的广义相对论，把两者结合起来，称为时空。这是现代物理学中，最具权威的一个概念。

在近代物理学兴起之时，牛顿把时间和空间视为神创的，绝对的。虽然神创论早被科学界所抛弃，而其绝对性似乎仍然被肯定。19世纪中期出现了一个转机，那还是天文界对水星的绕日轨道做了研究，利用牛顿的动力学，始终未能取得满意的解释，一直拖到广义相对论的问世，此题才得破解。但这只有在把时间和空间合为一个整体才行，且这两者相互作用，成为一个时空连续体。

相对论在数学上对时空的性质描述得很完美。按他的看法，形象化地表示，时空可看作一个完整平滑的平面，因恒星、星系等物质而被弯曲，且产生引力。很明显，这只是对时空几何形态的形象化描绘，而对其本质特性，并未述及。没有人知道其基本特性。这不是任何人的不足，也许这需要人的知识和观察的积累。

对天体附近时空弯曲的形象化描述

那么物理学的另一台柱——量子论，又是如何看待时间和空间的呢？在它看来世界上的万物皆处于动态，且具有不确定性。粒子和能量处于起伏状态，它们会在最短的时标内，涌出于存在，继而又消失。

著名物理学家爱因斯坦，广义相对论时空理论的创立者

但是，这两大理论却互相不容。如上述时空，这两宇宙最本质的东西，两种理论对其表述，却大不相同，相对论视时空为一个时空连续体，是一个平滑的四维扁平体，而量子论却认为，空间是由无数10-35米的小点组合而成，并且从不把时间看成真实的、可观察的存在。这里顺便提一下，当代宇宙学大师霍金，曾考虑过这两者的结合。他认为，“根据相对论，时间和空间具有明显的差别，但量子论可使这两者不同的性质被抹掉。在越来越接近宇宙的始点时，时间就越具有跟空间维相似的特性，这种转变并非突然发生，而是通过测不准原理，使时间的特性变得越来越模糊，最终从空间中逐渐渗出。”不过霍金的叙述，也到此为止，没有发展成一个系统的理论。

理论有待于观测检验

当然，所有这些都是理论家的看法，孰是孰非，得依赖于验证。天文学家比我们更急，他们一直在观测，企图从中得到线索。现在令人感到欣慰，总算有了一些眉目。

研究者说，来自各种天体的信号，正暗示出跟相对论的概念有所不同。若观测是可信的，那么真实情况（指时空）要比爱因斯坦想象的崎岖得多，这意味着相对论的观念，不是时空或引力的最终结论。这可能要我们根本地改变对宇宙的认识。

他们说，宇宙中的万物，从最大的星系到最小的基本粒子，从最暗的射电辐射到最亮的γ射线。它们皆沉浸于时空之中。因此，它们总可能以某种形式与其相互作用，那么这些相互作用，就有可能标示出某种信号，使我们测到并做出解释。从而使我们得出时间和空间的真貌。意大利罗马第一大学（Rome La Sapienza university）的艾客立努-开密利（G·Anelino-Canlia）说，“这是一个漂亮的问题，我们正处在答案的始点。”

时滞效应的是与非

2005年，他们似乎见到了一个答案，他们借助于MAGIC（Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes,大型大气γ射线成像切伦科夫望远镜），它是一系列巨大的接收器的组合，设在西班牙加那利群岛，以探测γ射线（它处在电磁波的最高能量波段）。同年6月30日，此阵探测到了一个γ射线暴，它来自Markarian501星系中心的一个黑洞，这个星系离我们达5亿光年。理论预言，每当有什么东西落入这种黑洞时，就将放射出辐射的闪烁。但能够被地基望远镜看到，表明这是一个十分明亮的闪烁。对如此遥远的这类辐射，还是第一次被人所见。

位于西班牙加那利群岛的大型大气γ射线成像切伦科夫望远镜（MAGIC）

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机

经仔细分析，发现这一辐射可非一般，它的低能γ射线辐射，要比高能辐射早到地球4分钟。这是一个大问题。按相对论的时空观，所有的光（不论其能量大小）皆以同一速度飞驰。但从现在的观察来看，其效应显然与该理论不符，倒是适合于量子论的空间理论。

目前有好几种量子引力理论，总的来说，它们提出了类似的时间和空间的面貌，即时空不是一个平滑的连续体，而是一个骚动着的量子泡沫体，且其泡沫没有明确的表面。爱因斯坦的有起伏的时空景观，似乎更像一个海流滔滔的洋面，通过这个洋面，粒子和辐射必须奋力而去。长波的低能光线，有如一只帆船，可在这个量子泡沫海洋中滑行而过；而短波的高能光线，却如一只小的救生艇，须跟波浪搏斗才能过去。故两者的飞奔有快有慢。

其实早在1998年，艾客立努-开密利和CERN（欧洲核子研究所）的埃利斯（J·Ellis）就曾提出，来自遥远的活动星系的高能光，可以用来测定时滞效应，只要距离较大，即使略小的效应，也能测出。而MAGIC正是看到了这个现象。

这些事例在天体物理学上是稀有的，MAGIC的观测，引起了科学界的热烈讨论。2006年6月，类似的γ射线望远镜HESS（ High Energy Stereoscopic System ,高能立体镜系统，设在纳米比亚），捕捉到另一个大星系的闪烁。该星系称RKS2155-304，跟我们的距离，是Markarian501的4倍，这样，其时间滞后效应将更长。

费米空间望远镜的美术图

但跟预想的相异，巴黎第六大学（Université Pierre et Marie Curie）的杰可划斯卡（Agniescka·Jacholkowska）说，“我们没有看到时间滞后的线索。”他说，若我们设想时空不论怎么，不论在何处，皆是同样的。那么上述初看到的时滞现象，可能是Markarian501的γ射线源本身所有的。例如，粒子沿着星系中心的磁场被加速，它首先将发射出低能射线。但迄今没有人确知，在那些暗淡的星系中心所发生的过程。故在这里，还有很大的讨论余地。

事情一直搁到去年，一个人们从未见过的极高能γ射线，击中地球。这是一个γ射线暴（GRB）。它是NASA（美国宇航局）的费米望远镜于2013年4月27日观测到的，故取名为GRB130427A。它并非来自活动星系的中心，却出于一颗超大星球的爆炸性死亡，其簇射为一般GRB的10倍。该镜收到此暴后，立即向全世界自动报警。故有一大批望远镜观测这个暴。

研究者发表论文说，他们观测到几百秒的时滞效应（低能与高能γ射线之间）。艾客立努-开密利说，“这个数目很显然，这是第一次对时滞现象出示的有力证据。”那么相对论真的被打破了吗？其实理论家早在考虑，或许新的观察结果，能让我们建立新的更有力的宇宙学。要想充分了解宇宙，我们必须知道，它如何从一个微小的初生宇宙，变成今日的这种状态。因此，必须把相对论和量子论结合起来。理论界已花了30年的时间，最难之处这两者仍难以相容。

而现在的研究者，似乎看好两个量子引力理论，即弦论和圈量子引力论。前者认为，时空含有10维，即通常的3维空间和1维时间，再加上其他的6维，可是它们却蜷缩到我们无法测量的程度；后者把时空想象为一个铠甲链形式，它由无数相同的圈交织在一起。

跟理论一样，观察方面也有进展。艾客立努-开密利等人，以后又报告了其他4个GRB的观测，据说，它们的行为跟方程一致，但还未取得结论性的支持。不久，杰可划斯卡等人分析了另外4个低能GRB，那是由费米镜观测到的，但它们没有时滞现象。按杰可划斯卡的看法，只要这种解释是建立在同类源的单一观测上的，那就不十分可靠。他说：“若我们找到的效应，出自类似源的二个源上，那么你可真正地去考虑，你的确找到了什么东西。”

设在纳米比亚的γ射线望远镜HESS（ High Energy Stereoscopic System ,高能立体镜系统）

中微子观测

与此同时，研究者提出了另一种可清晰观测的对象，那就是中微子。它实际上以光速运行，且很难跟其他东西相互作用，它们也携带着能量，理应跟时空相互作用。若艾客立努-开密利的观点正确，那么中微子也将遭受因能量引发的时滞效应。太阳和离我们17万光年的超新星SN1987A皆发射中微子，但距离我们太近，不适用这一测量目的。

在宇宙中中微子原可谓不少，就是难于探测。目前一个著名的中微子探测器，为冰立方（icecube），它埋在1立方千米的南极冰之中，已于2011年完全投入运行。2012年4月，它找到二个中微子，其能量比太阳中微子高得多。费米实验室的胡伯（Dan·Hooper）说：“仅这个理由，它们可能来自γ射线暴，因为没有其他东西可使单个粒子含有如此大的能量。而GRB是最佳的选择。”正好最近，冰立方宣称，又发现26个中微子，其能量已暗示出，它们来自河外源。

艾客立努-开密利说，他在冰立方早先的记录中，找到三个以上的数据，它们十分适合于量子时空所发生的效应。它们来自三个独立的GRB。

中微子被认为来自塌缩星，要比GRB的光更快地到达地球，因它们在旅途中，不跟其他东西相互作用。而电磁辐射在飞驰途中，必须跟塌缩星的气体做斗争。即使把这些因素都考虑进去，艾客立努-开密利认为，在能量上，中微子跟γ射线之间的大差距，是跟时空与它们互相作用的效应相符的。不过其合作者埃利斯持怀疑态度。他认为“这里没有任何统计学上的坚实支持”。

研究者期待更大的望远镜，才能更快、更多地找到γ射线和中微子。目前，已建立了一个由来自23个国家、1000多位研究者组成的国际团体。他们拟建造一个MAGIC和HESS的大型继承者，这个比其前辈的灵敏度高上10倍，它将每年看到10-20个活动星系的闪烁。他们已取得了德国、西班牙和英国政府的财政支持，并拟最近投入工作。

期待新理论

人们在问，我们最终能看到这个世界的真相吗？该团体成员瓦格纳（R·Wagner）说，“没有理由悲观。”找到任何类型的时空结构，将是一场可匹配爱因斯坦理论的革命。物理学正在为下一步而寻找道路。其实这也是不少科学家的共识，因为人们在观察中找到不少现象，不符合宇宙学的标准模型。诸如，理论上的锂7，远多于它的实际量；从某个方向看去，星系都偏向于左手旋转；还发现一个超大星系结构，其尺度达40亿光年，这样宇宙在大尺度上是不平滑的！故他们说，也许，我们正处在新物理学诞生的前夜。

（责任编辑 张长喜）