□ 陳壯叔

“時(shí)空”受到挑戰(zhàn)

□ 陳壯叔

關(guān)于時(shí)空

悠悠萬(wàn)事于此惟大，這個(gè)“此”是什么？就是時(shí)間和空間，它是我們宇宙的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。實(shí)際來(lái)說(shuō)，這兩者既看不到又摸不著，我們能感知的只是它們的力，即引力。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，把兩者結(jié)合起來(lái)，稱(chēng)為時(shí)空。這是現(xiàn)代物理學(xué)中，最具權(quán)威的一個(gè)概念。

在近代物理學(xué)興起之時(shí)，牛頓把時(shí)間和空間視為神創(chuàng)的，絕對(duì)的。雖然神創(chuàng)論早被科學(xué)界所拋棄，而其絕對(duì)性似乎仍然被肯定。19世紀(jì)中期出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)機(jī)，那還是天文界對(duì)水星的繞日軌道做了研究，利用牛頓的動(dòng)力學(xué)，始終未能取得滿(mǎn)意的解釋?zhuān)恢蓖系綇V義相對(duì)論的問(wèn)世，此題才得破解。但這只有在把時(shí)間和空間合為一個(gè)整體才行，且這兩者相互作用，成為一個(gè)時(shí)空連續(xù)體。

相對(duì)論在數(shù)學(xué)上對(duì)時(shí)空的性質(zhì)描述得很完美。按他的看法，形象化地表示，時(shí)空可看作一個(gè)完整平滑的平面，因恒星、星系等物質(zhì)而被彎曲，且產(chǎn)生引力。很明顯，這只是對(duì)時(shí)空幾何形態(tài)的形象化描繪，而對(duì)其本質(zhì)特性，并未述及。沒(méi)有人知道其基本特性。這不是任何人的不足，也許這需要人的知識(shí)和觀察的積累。

對(duì)天體附近時(shí)空彎曲的形象化描述

那么物理學(xué)的另一臺(tái)柱——量子論，又是如何看待時(shí)間和空間的呢？在它看來(lái)世界上的萬(wàn)物皆處于動(dòng)態(tài)，且具有不確定性。粒子和能量處于起伏狀態(tài)，它們會(huì)在最短的時(shí)標(biāo)內(nèi)，涌出于存在，繼而又消失。

著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦，廣義相對(duì)論時(shí)空理論的創(chuàng)立者

但是，這兩大理論卻互相不容。如上述時(shí)空，這兩宇宙最本質(zhì)的東西，兩種理論對(duì)其表述，卻大不相同，相對(duì)論視時(shí)空為一個(gè)時(shí)空連續(xù)體，是一個(gè)平滑的四維扁平體，而量子論卻認(rèn)為，空間是由無(wú)數(shù)10-35米的小點(diǎn)組合而成，并且從不把時(shí)間看成真實(shí)的、可觀察的存在。這里順便提一下，當(dāng)代宇宙學(xué)大師霍金，曾考慮過(guò)這兩者的結(jié)合。他認(rèn)為，“根據(jù)相對(duì)論，時(shí)間和空間具有明顯的差別，但量子論可使這兩者不同的性質(zhì)被抹掉。在越來(lái)越接近宇宙的始點(diǎn)時(shí)，時(shí)間就越具有跟空間維相似的特性，這種轉(zhuǎn)變并非突然發(fā)生，而是通過(guò)測(cè)不準(zhǔn)原理，使時(shí)間的特性變得越來(lái)越模糊，最終從空間中逐漸滲出。”不過(guò)霍金的敘述，也到此為止，沒(méi)有發(fā)展成一個(gè)系統(tǒng)的理論。

理論有待于觀測(cè)檢驗(yàn)

當(dāng)然，所有這些都是理論家的看法，孰是孰非，得依賴(lài)于驗(yàn)證。天文學(xué)家比我們更急，他們一直在觀測(cè)，企圖從中得到線索?，F(xiàn)在令人感到欣慰，總算有了一些眉目。

研究者說(shuō)，來(lái)自各種天體的信號(hào)，正暗示出跟相對(duì)論的概念有所不同。若觀測(cè)是可信的，那么真實(shí)情況（指時(shí)空）要比愛(ài)因斯坦想象的崎嶇得多，這意味著相對(duì)論的觀念，不是時(shí)空或引力的最終結(jié)論。這可能要我們根本地改變對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

他們說(shuō)，宇宙中的萬(wàn)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γ射線。它們皆沉浸于時(shí)空之中。因此，它們總可能以某種形式與其相互作用，那么這些相互作用，就有可能標(biāo)示出某種信號(hào)，使我們測(cè)到并做出解釋。從而使我們得出時(shí)間和空間的真貌。意大利羅馬第一大學(xué)（Rome La Sapienza university）的艾客立努-開(kāi)密利（G·Anelino-Canlia）說(shuō)，“這是一個(gè)漂亮的問(wèn)題，我們正處在答案的始點(diǎn)?！?/p>

時(shí)滯效應(yīng)的是與非

2005年，他們似乎見(jiàn)到了一個(gè)答案，他們借助于MAGIC（Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescopes,大型大氣γ射線成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡），它是一系列巨大的接收器的組合，設(shè)在西班牙加那利群島，以探測(cè)γ射線（它處在電磁波的最高能量波段）。同年6月30日，此陣探測(cè)到了一個(gè)γ射線暴，它來(lái)自Markarian501星系中心的一個(gè)黑洞，這個(gè)星系離我們達(dá)5億光年。理論預(yù)言，每當(dāng)有什么東西落入這種黑洞時(shí)，就將放射出輻射的閃爍。但能夠被地基望遠(yuǎn)鏡看到，表明這是一個(gè)十分明亮的閃爍。對(duì)如此遙遠(yuǎn)的這類(lèi)輻射，還是第一次被人所見(jiàn)。

位于西班牙加那利群島的大型大氣γ射線成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（MAGIC）

歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

經(jīng)仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)這一輻射可非一般，它的低能γ射線輻射，要比高能輻射早到地球4分鐘。這是一個(gè)大問(wèn)題。按相對(duì)論的時(shí)空觀，所有的光（不論其能量大?。┙砸酝凰俣蕊w馳。但從現(xiàn)在的觀察來(lái)看，其效應(yīng)顯然與該理論不符，倒是適合于量子論的空間理論。

目前有好幾種量子引力理論，總的來(lái)說(shuō)，它們提出了類(lèi)似的時(shí)間和空間的面貌，即時(shí)空不是一個(gè)平滑的連續(xù)體，而是一個(gè)騷動(dòng)著的量子泡沫體，且其泡沫沒(méi)有明確的表面。愛(ài)因斯坦的有起伏的時(shí)空景觀，似乎更像一個(gè)海流滔滔的洋面，通過(guò)這個(gè)洋面，粒子和輻射必須奮力而去。長(zhǎng)波的低能光線，有如一只帆船，可在這個(gè)量子泡沫海洋中滑行而過(guò)；而短波的高能光線，卻如一只小的救生艇，須跟波浪搏斗才能過(guò)去。故兩者的飛奔有快有慢。

其實(shí)早在1998年，艾客立努-開(kāi)密利和CERN（歐洲核子研究所）的埃利斯（J·Ellis）就曾提出，來(lái)自遙遠(yuǎn)的活動(dòng)星系的高能光，可以用來(lái)測(cè)定時(shí)滯效應(yīng)，只要距離較大，即使略小的效應(yīng)，也能測(cè)出。而MAGIC正是看到了這個(gè)現(xiàn)象。

這些事例在天體物理學(xué)上是稀有的，MAGIC的觀測(cè)，引起了科學(xué)界的熱烈討論。2006年6月，類(lèi)似的γ射線望遠(yuǎn)鏡HESS（ High Energy Stereoscopic System ,高能立體鏡系統(tǒng)，設(shè)在納米比亞），捕捉到另一個(gè)大星系的閃爍。該星系稱(chēng)RKS2155-304，跟我們的距離，是Markarian501的4倍，這樣，其時(shí)間滯后效應(yīng)將更長(zhǎng)。

費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡的美術(shù)圖

但跟預(yù)想的相異，巴黎第六大學(xué)（Université Pierre et Marie Curie）的杰可劃斯卡（Agniescka·Jacholkowska）說(shuō)，“我們沒(méi)有看到時(shí)間滯后的線索。”他說(shuō)，若我們?cè)O(shè)想時(shí)空不論怎么，不論在何處，皆是同樣的。那么上述初看到的時(shí)滯現(xiàn)象，可能是Markarian501的γ射線源本身所有的。例如，粒子沿著星系中心的磁場(chǎng)被加速，它首先將發(fā)射出低能射線。但迄今沒(méi)有人確知，在那些暗淡的星系中心所發(fā)生的過(guò)程。故在這里，還有很大的討論余地。

事情一直擱到去年，一個(gè)人們從未見(jiàn)過(guò)的極高能γ射線，擊中地球。這是一個(gè)γ射線暴（GRB）。它是NASA（美國(guó)宇航局）的費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡于2013年4月27日觀測(cè)到的，故取名為GRB130427A。它并非來(lái)自活動(dòng)星系的中心，卻出于一顆超大星球的爆炸性死亡，其簇射為一般GRB的10倍。該鏡收到此暴后，立即向全世界自動(dòng)報(bào)警。故有一大批望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)這個(gè)暴。

研究者發(fā)表論文說(shuō)，他們觀測(cè)到幾百秒的時(shí)滯效應(yīng)（低能與高能γ射線之間）。艾客立努-開(kāi)密利說(shuō)，“這個(gè)數(shù)目很顯然，這是第一次對(duì)時(shí)滯現(xiàn)象出示的有力證據(jù)?！蹦敲聪鄬?duì)論真的被打破了嗎？其實(shí)理論家早在考慮，或許新的觀察結(jié)果，能讓我們建立新的更有力的宇宙學(xué)。要想充分了解宇宙，我們必須知道，它如何從一個(gè)微小的初生宇宙，變成今日的這種狀態(tài)。因此，必須把相對(duì)論和量子論結(jié)合起來(lái)。理論界已花了30年的時(shí)間，最難之處這兩者仍難以相容。

而現(xiàn)在的研究者，似乎看好兩個(gè)量子引力理論，即弦論和圈量子引力論。前者認(rèn)為，時(shí)空含有10維，即通常的3維空間和1維時(shí)間，再加上其他的6維，可是它們卻蜷縮到我們無(wú)法測(cè)量的程度；后者把時(shí)空想象為一個(gè)鎧甲鏈形式，它由無(wú)數(shù)相同的圈交織在一起。

跟理論一樣，觀察方面也有進(jìn)展。艾客立努-開(kāi)密利等人，以后又報(bào)告了其他4個(gè)GRB的觀測(cè)，據(jù)說(shuō)，它們的行為跟方程一致，但還未取得結(jié)論性的支持。不久，杰可劃斯卡等人分析了另外4個(gè)低能GRB，那是由費(fèi)米鏡觀測(cè)到的，但它們沒(méi)有時(shí)滯現(xiàn)象。按杰可劃斯卡的看法，只要這種解釋是建立在同類(lèi)源的單一觀測(cè)上的，那就不十分可靠。他說(shuō)：“若我們找到的效應(yīng)，出自類(lèi)似源的二個(gè)源上，那么你可真正地去考慮，你的確找到了什么東西?！?/p>

設(shè)在納米比亞的γ射線望遠(yuǎn)鏡HESS（ High Energy Stereoscopic System ,高能立體鏡系統(tǒng)）

中微子觀測(cè)

與此同時(shí)，研究者提出了另一種可清晰觀測(cè)的對(duì)象，那就是中微子。它實(shí)際上以光速運(yùn)行，且很難跟其他東西相互作用，它們也攜帶著能量，理應(yīng)跟時(shí)空相互作用。若艾客立努-開(kāi)密利的觀點(diǎn)正確，那么中微子也將遭受因能量引發(fā)的時(shí)滯效應(yīng)。太陽(yáng)和離我們17萬(wàn)光年的超新星SN1987A皆發(fā)射中微子，但距離我們太近，不適用這一測(cè)量目的。

在宇宙中中微子原可謂不少，就是難于探測(cè)。目前一個(gè)著名的中微子探測(cè)器，為冰立方（icecube），它埋在1立方千米的南極冰之中，已于2011年完全投入運(yùn)行。2012年4月，它找到二個(gè)中微子，其能量比太陽(yáng)中微子高得多。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的胡伯（Dan·Hooper）說(shuō)：“僅這個(gè)理由，它們可能來(lái)自γ射線暴，因?yàn)闆](méi)有其他東西可使單個(gè)粒子含有如此大的能量。而GRB是最佳的選擇?！闭米罱?，冰立方宣稱(chēng)，又發(fā)現(xiàn)26個(gè)中微子，其能量已暗示出，它們來(lái)自河外源。

艾客立努-開(kāi)密利說(shuō)，他在冰立方早先的記錄中，找到三個(gè)以上的數(shù)據(jù)，它們十分適合于量子時(shí)空所發(fā)生的效應(yīng)。它們來(lái)自三個(gè)獨(dú)立的GRB。

中微子被認(rèn)為來(lái)自塌縮星，要比GRB的光更快地到達(dá)地球，因它們?cè)诼猛局?，不跟其他東西相互作用。而電磁輻射在飛馳途中，必須跟塌縮星的氣體做斗爭(zhēng)。即使把這些因素都考慮進(jìn)去，艾客立努-開(kāi)密利認(rèn)為，在能量上，中微子跟γ射線之間的大差距，是跟時(shí)空與它們互相作用的效應(yīng)相符的。不過(guò)其合作者埃利斯持懷疑態(tài)度。他認(rèn)為“這里沒(méi)有任何統(tǒng)計(jì)學(xué)上的堅(jiān)實(shí)支持”。

研究者期待更大的望遠(yuǎn)鏡，才能更快、更多地找到γ射線和中微子。目前，已建立了一個(gè)由來(lái)自23個(gè)國(guó)家、1000多位研究者組成的國(guó)際團(tuán)體。他們擬建造一個(gè)MAGIC和HESS的大型繼承者，這個(gè)比其前輩的靈敏度高上10倍，它將每年看到10-20個(gè)活動(dòng)星系的閃爍。他們已取得了德國(guó)、西班牙和英國(guó)政府的財(cái)政支持，并擬最近投入工作。

期待新理論

人們?cè)趩?wèn)，我們最終能看到這個(gè)世界的真相嗎？該團(tuán)體成員瓦格納（R·Wagner）說(shuō)，“沒(méi)有理由悲觀。”找到任何類(lèi)型的時(shí)空結(jié)構(gòu)，將是一場(chǎng)可匹配愛(ài)因斯坦理論的革命。物理學(xué)正在為下一步而尋找道路。其實(shí)這也是不少科學(xué)家的共識(shí)，因?yàn)槿藗冊(cè)谟^察中找到不少現(xiàn)象，不符合宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。諸如，理論上的鋰7，遠(yuǎn)多于它的實(shí)際量；從某個(gè)方向看去，星系都偏向于左手旋轉(zhuǎn)；還發(fā)現(xiàn)一個(gè)超大星系結(jié)構(gòu)，其尺度達(dá)40億光年，這樣宇宙在大尺度上是不平滑的！故他們說(shuō)，也許，我們正處在新物理學(xué)誕生的前夜。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）