“時空”受到挑戰(zhàn)

□ 陳壯叔

“時空”受到挑戰(zhàn)

□ 陳壯叔

關(guān)于時空

悠悠萬事于此惟大，這個“此”是什么？就是時間和空間，它是我們宇宙的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。實際來說，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。愛因斯坦的廣義相對論，把兩者結(jié)合起來，稱為時空。這是現(xiàn)代物理學中，最具權(quán)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)論早被科學界所拋棄，而其絕對性似乎仍然被肯定。19世紀中期出現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)機，那還是天文界對水星的繞日軌道做了研究，利用牛頓的動力學，始終未能取得滿意的解釋，一直拖到廣義相對論的問世，此題才得破解。但這只有在把時間和空間合為一個整體才行，且這兩者相互作用，成為一個時空連續(xù)體。

相對論在數(shù)學上對時空的性質(zhì)描述得很完美。按他的看法，形象化地表示，時空可看作一個完整平滑的平面，因恒星、星系等物質(zhì)而被彎曲，且產(chǎn)生引力。很明顯，這只是對時空幾何形態(tài)的形象化描繪，而對其本質(zhì)特性，并未述及。沒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和觀察的積累。

對天體附近時空彎曲的形象化描述

那么物理學的另一臺柱——量子論，又是如何看待時間和空間的呢？在它看來世界上的萬物皆處于動態(tài)，且具有不確定性。粒子和能量處于起伏狀態(tài)，它們會在最短的時標內(nèi)，涌出于存在，繼而又消失。

著名物理學家愛因斯坦，廣義相對論時空理論的創(chuàng)立者

但是，這兩大理論卻互相不容。如上述時空，這兩宇宙最本質(zhì)的東西，兩種理論對其表述，卻大不相同，相對論視時空為一個時空連續(xù)體，是一個平滑的四維扁平體，而量子論卻認為，空間是由無數(shù)10-35米的小點組合而成，并且從不把時間看成真實的、可觀察的存在。這里順便提一下，當代宇宙學大師霍金，曾考慮過這兩者的結(jié)合。他認為，“根據(jù)相對論，時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。在越來越接近宇宙的始點時，時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，而是通過測不準原理，使時間的特性變得越來越模糊，最終從空間中逐漸滲出?！辈贿^霍金的敘述，也到此為止，沒有發(fā)展成一個系統(tǒng)的理論。

理論有待于觀測檢驗

當然，所有這些都是理論家的看法，孰是孰非，得依賴于驗證。天文學家比我們更急，他們一直在觀測，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，來自各種天體的信號，正暗示出跟相對論的概念有所不同。若觀測是可信的，那么真實情況（指時空）要比愛因斯坦想象的崎嶇得多，這意味著相對論的觀念，不是時空或引力的最終結(jié)論。這可能要我們根本地改變對宇宙的認識。

他們說，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γ射線。它們皆沉浸于時空之中。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，就有可能標示出某種信號，使我們測到并做出解釋。從而使我們得出時間和空間的真貌。意大利羅馬第一大學（Rome La Sapienza university）的艾客立努-開密利（G·Anelino-Canlia）說，“這是一個漂亮的問題，我們正處在答案的始點?！?/p>

時滯效應的是與非

2005年，他們似乎見到了一個答案，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鏡），它是一系列巨大的接收器的組合，設在西班牙加那利群島，以探測γ射線（它處在電磁波的最高能量波段）。同年6月30日，此陣探測到了一個γ射線暴，它來自Markarian501星系中心的一個黑洞，這個星系離我們達5億光年。理論預言，每當有什么東西落入這種黑洞時，就將放射出輻射的閃爍。但能夠被地基望遠鏡看到，表明這是一個十分明亮的閃爍。對如此遙遠的這類輻射，還是第一次被人所見。

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鏡（MAGIC）

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機

經(jīng)仔細分析，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。這是一個大問題。按相對論的時空觀，所有的光（不論其能量大小）皆以同一速度飛馳。但從現(xiàn)在的觀察來看，其效應顯然與該理論不符，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，總的來說，它們提出了類似的時間和空間的面貌，即時空不是一個平滑的連續(xù)體，而是一個騷動著的量子泡沫體，且其泡沫沒有明確的表面。愛因斯坦的有起伏的時空景觀，似乎更像一個海流滔滔的洋面，通過這個洋面，粒子和輻射必須奮力而去。長波的低能光線，有如一只帆船，可在這個量子泡沫海洋中滑行而過；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去。故兩者的飛奔有快有慢。

其實早在1998年，艾客立努-開密利和CERN（歐洲核子研究所）的埃利斯（J·Ellis）就曾提出，來自遙遠的活動星系的高能光，可以用來測定時滯效應，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。

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

費米空間望遠鏡的美術(shù)圖

但跟預想的相異，巴黎第六大學（Université Pierre et Marie Curie）的杰可劃斯卡（Agniescka·Jacholkowska）說，“我們沒有看到時間滯后的線索?！彼f，若我們設想時空不論怎么，不論在何處，皆是同樣的。那么上述初看到的時滯現(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被加速，它首先將發(fā)射出低能射線。但迄今沒有人確知，在那些暗淡的星系中心所發(fā)生的過程。故在這里，還有很大的討論余地。

事情一直擱到去年，一個人們從未見過的極高能γ射線，擊中地球。這是一個γ射線暴（GRB）。它是NASA（美國宇航局）的費米望遠鏡于2013年4月27日觀測到的，故取名為GRB130427A。它并非來自活動星系的中心，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，立即向全世界自動報警。故有一大批望遠鏡觀測這個暴。

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

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

跟理論一樣，觀察方面也有進展。艾客立努-開密利等人，以后又報告了其他4個GRB的觀測，據(jù)說，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個低能GRB，那是由費米鏡觀測到的，但它們沒有時滯現(xiàn)象。按杰可劃斯卡的看法，只要這種解釋是建立在同類源的單一觀測上的，那就不十分可靠。他說：“若我們找到的效應，出自類似源的二個源上，那么你可真正地去考慮，你的確找到了什么東西?！?/p>

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

中微子觀測

與此同時，研究者提出了另一種可清晰觀測的對象，那就是中微子。它實際上以光速運行，且很難跟其他東西相互作用，它們也攜帶著能量，理應跟時空相互作用。若艾客立努-開密利的觀點正確，那么中微子也將遭受因能量引發(fā)的時滯效應。太陽和離我們17萬光年的超新星SN1987A皆發(fā)射中微子，但距離我們太近，不適用這一測量目的。

在宇宙中中微子原可謂不少，就是難于探測。目前一個著名的中微子探測器，為冰立方（icecube），它埋在1立方千米的南極冰之中，已于2011年完全投入運行。2012年4月，它找到二個中微子，其能量比太陽中微子高得多。費米實驗室的胡伯（Dan·Hooper）說：“僅這個理由，它們可能來自γ射線暴，因為沒有其他東西可使單個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，又發(fā)現(xiàn)26個中微子，其能量已暗示出，它們來自河外源。

艾客立努-開密利說，他在冰立方早先的記錄中，找到三個以上的數(shù)據(jù)，它們十分適合于量子時空所發(fā)生的效應。它們來自三個獨立的GRB。

中微子被認為來自塌縮星，要比GRB的光更快地到達地球，因它們在旅途中，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。即使把這些因素都考慮進去，艾客立努-開密利認為，在能量上，中微子跟γ射線之間的大差距，是跟時空與它們互相作用的效應相符的。不過其合作者埃利斯持懷疑態(tài)度。他認為“這里沒有任何統(tǒng)計學上的堅實支持”。

研究者期待更大的望遠鏡，才能更快、更多地找到γ射線和中微子。目前，已建立了一個由來自23個國家、1000多位研究者組成的國際團體。他們擬建造一個MAGIC和HESS的大型繼承者，這個比其前輩的靈敏度高上10倍，它將每年看到10-20個活動星系的閃爍。他們已取得了德國、西班牙和英國政府的財政支持，并擬最近投入工作。

期待新理論

人們在問，我們最終能看到這個世界的真相嗎？該團體成員瓦格納（R·Wagner）說，“沒有理由悲觀?！闭业饺魏晤愋偷臅r空結(jié)構(gòu)，將是一場可匹配愛因斯坦理論的革命。物理學正在為下一步而尋找道路。其實這也是不少科學家的共識，因為人們在觀察中找到不少現(xiàn)象，不符合宇宙學的標準模型。諸如，理論上的鋰7，遠多于它的實際量；從某個方向看去，星系都偏向于左手旋轉(zhuǎn)；還發(fā)現(xiàn)一個超大星系結(jié)構(gòu)，其尺度達40億光年，這樣宇宙在大尺度上是不平滑的！故他們說，也許，我們正處在新物理學誕生的前夜。

（責任編輯 張長喜）