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澳门威尼斯:会被恒星、行星和星系的引力所弯曲

五月 2nd, 2019  |  科学

但有一个恼人的问题:没有人知道它是什么。爱因斯坦把时空设想成一个完全光滑的表面,会被恒星、行星和星系的引力所弯曲。然而,各种天体发出的信号却暗示着一些不同的东西。如果这些有争议的观测被证实,就将表明时空景观比爱因斯坦所认为的更加粗糙。这也将意味着,他对时空或者引力的描述并不完善,我们对宇宙的根本认识需要修改。

直到19世纪中叶,人们才发现,牛顿力学无法解释水星绕太阳公转轨道中的细微之处。爱因斯坦的相对论却可以,不过需要把时间和空间融合成在数学上无法区分的一个整体。在其中,影响一方的事情也会影响到另一方,时间和空间成为了时空连续体。

虽然相对论的数学可以极好地描述时空的属性,但并不涉及到表面之下时空的本质。我们只能从头开始,四处寻找观测上的线索。从最大的星系到最小的粒子,从最乏味的无线电波到最亮的光线,宇宙中的一切都沉浸在时空当中,因此必定会以某种方式与其相互作用。于是,这个问题变成了——这些相互作​​用是否会在信号中留下任何我们可以测量或者解读的印迹,进而可以让我们目睹时空真实的物理特性。意大利罗马萨皮恩扎大学的乔万尼·阿梅利诺-卡梅利亚(Giovanni
Amelino-Camelia)说:“这是一个漂亮的问题,而我们才刚刚开始去回答它。”

(文/ Stuart
Clark)我们生活在一个不可见的景观之中:虽然无法直接感知到它,但它决定了我们能够看到和做到的一切。从绕太阳公转的行星,到飞向月球的火箭,再到不小心掉到地上的铅笔,这个景观中的每一个物体,都遵循其潜移默化的规律。每一次我们负重上山或者上楼时,都在与之对抗。

量子泡沫

详细的分析发现,这一爆发具有一些明显的不同寻常之处:低能辐射似乎比高能辐射提前4分钟抵达地球。如果时空真的按照爱因斯坦的相对论来运转,这种现象就应该是不可能出现的。在相对论的平滑时空中,所有的光都以相同的速度传播,与它们携带能量的高低无关。不过,这一现象与相对论的那些竞争对手倒是完全相容,后者试图根据量子力学来描述时空。量子力学是一种与广义相对论完全独立且互不相容的理论,旨在解释除引力之外其他任何东西的运转机制。

在量子理论中,没有东西是静态或者确定的。在极短暂的时间里,粒子和能量可以涨落、创生或者消失。许多量子引力理论,试图统一我们对时空、引力和量子力学的描述。这些理论认为,真正的时空也是类似:并非是一个平滑的连续体,而是一团翻腾的量子泡沫,没有明确定义的表面。爱因斯坦平滑起伏的时空景观,变得更像是一个波涛汹涌的海景,粒子和辐射想要通过这片“海域”,就必须自己闯出一条去路。波长较长的低能光子类似庞大的远洋轮,很大程度上可以不受干扰地通过量子泡沫海。另一方面,波长较短的高能光子则更像是小艇,需要劈波斩浪。

1998年,阿梅利诺-卡梅利亚和当时在欧洲核子研究中心(CERN)的约翰·埃利斯(John
Ellis)提出,遥远的活动星系核发出的高能光子可以用来检验这一效应。遥远的距离可以使得哪怕是微小的效应,累积成可以探测的时间延迟。乍看之下,这正是MAGIC观测到的现象。

澳门威尼斯 1MAGIC望远镜真的捕捉到了量子时空泄露出来的蛛丝马迹了吗?图片来源:《新科学家》

然而,在物理学中,很少有事情会这么简单,MAGIC的观测结果引发了热烈的讨论。“这已经变得相当富有戏剧性了,”德国马普物理学研究所参与过最初这一发现的罗伯特·瓦格纳(Robert
Wagner)如此评论。2006年7月,位于纳米比亚内陆的伽马射线望远镜高能立体系统(HESS)探测到了另一次剧烈爆发,成为了检验这一理论的绝佳机会。出现爆发的星系PKS
2155-304,到地球的距离是马卡良501的4倍,因此它的时间延迟效应理应更大才对。

但是,什么都没有发生。“我们没有看到任何时间延迟的迹象,”信号分析团队成员、法国皮埃尔和玛丽·居里大学的阿格涅斯卡·扬丘尔科斯卡(Agnieszka
Jacholkowska)说。不管时空到底是什么,但只要我们假设时空是处处相同的,这就表明,在马卡良501星系的伽马射线中观测到的时间延迟,只跟辐射源自身的内在特性有关。这很好解释:既然粒子会沿着星系中心附近的磁场被加速,这自然会导致低能伽马射线率先被发射出来。然而,由于没有人确切知道在这些星系黑暗的中心究竟发生了什么,因此仍为辩论留下了充足的余地。

事情一直持续到2013年,直到我们在地球上观测到了迄今见过的能量最高的伽马射线。

这些射线来自一个伽马暴——这种时间短、强度高的伽马射线爆发,源自超巨星死亡时的爆炸,而非活动星系核。伽马暴极为明亮,现代望远镜可以看到遍布于整个宇宙中的这些爆发。这也意味着,它们发出的光已经历了几十亿年的时空之旅。

即便如此,2013年4月27日,美国宇航局(NASA)费米望远镜观测到的伽马暴GRB
130427A仍令人吃惊。它朝地球射出的高能伽马射线是普通伽马暴的10倍,其中还包含了一个高能伽马光子,携带的能量相当于可见光光子的350亿倍。在几小时内,自动警报被发送到了世界各地的天文台,一系列望远镜对它进行了观测。

阿梅利诺-卡梅利亚也是收到警报的科学家之一。2013年5月,他和同事公布了一篇论文,声称在该伽马暴的低能和高能伽马射线之间,出现了长达数百秒的时间延迟(参见arxiv.org/abs/1305.2626)。阿梅利诺-卡梅利亚说:“这些结果非常好,是第一次获得有关这一现象的强有力证据。”

说它强有力是因为,不同能量的光子到达地球的时间,有可能与一个简单方程的预言相符。从数学的角度上来看,这一关系是令人满意的,兴许还能帮助我们了解,如果相对论确实存在问题,那么超越它的理论看上去会是什么样子:要知道,不同的量子引力对时空有着不同的描述,它们对光线也有着不同的影响。

在弦论中,除了通常的三维空间和一维时间之外,量子时空还有6个额外的空间维度。不同能量的光子在其中传播的方式,与另一种量子引力理论——圈量子引力所预言的,必然大不相同。还有一种流行的理论,则把时空想象成了由交织在一起的环所构成的某种“锁子甲”。

目前,阿梅利诺-卡梅利亚已经禁止他的团队去研究,在这些相互竞争的理论当中,哪个理论的预言最接近他们的测量结果。他说:“就目前而言,我认为,把‘理论上我们希望大自然是什么样子’和‘事实上大自然真正是什么样子’区分开来,这一点很重要。”

相反,他们下一阶段的工作,是把用来预言时间延迟的方程,应用到其他伽马暴上。在那篇论文中,阿梅利诺-卡梅利亚和他的团队指出,还有另外4个伽马暴的时间延迟与该方程一致,不过这些佐证都不具有决定性。

其他人没有发现任何类似的证据。就在阿梅利诺-卡梅利亚的论文公布后几天,扬丘尔科斯卡和她的同事发表了他们对费米望远镜观测到的其他4个能量较低的伽马暴的分析结果。他们没有发现任何的时间延迟现象(参见arXiv.org/abs/1305.3463)。

在扬丘尔科斯卡看来,我们目前无法得出任何明确的结论。因为就像先前对马卡良501的分析一样,阿梅利诺-卡梅利亚的解释做了一个假定,认为伽马光子无论能量大小,都是同时被发射出来的。埃利斯说,只要是基于单一观测或者同一类型的射线源,这些解释就总会存在问题。他说:“只有在两种不同的现象上发现了类似的效应,你才能够真正开始认为,你发现了什么东西。”

中微子出马

中微子也许可以帮助澄清事实。这些幽灵般的粒子几乎以光速运动,鲜与物质发生相互作用。然而,由于携带能量,它们应该会与时空发生相互作用。如果阿梅利诺-卡梅利亚是正确的,它们也会出现与其自身携带能量多少有关的时间延迟效应。不过,这需要我们能够观测足够遥远的中微子,只有这样,延迟效应才能累积到可观测的程度。

但这也是个问题。核聚变反应使得太阳成为了一个巨大的中微子工厂,来自太阳的中微子几乎淹没了所有更遥远的地方发来的中微子信号。除了太阳中微子,迄今我们观测到的唯一一批宇宙中微子,来自超新星SN
1987A,爆发于距离地球17万光年的大麦哲伦云中。对于用中微子来显现可测量的时间延迟来说,这仍然太近了。

决定性的帮助可能就在眼前了。冰立方(IceCube)是埋藏在南极冰层之下、体积达到1立方千米的中微子探测器,2011年起已经完全投入使用。2012年4月,它发现了令科学家议论纷纷的两个中微子,分别被命名为伯特和厄尼(源于电视节目“芝麻街”中的两个角色)。它们具有的能量远远超出太阳所能产生的范围。美国费米实验室的丹·胡珀(
Dan
Hooper)认为,对此的唯一解释是,它们可能来自于伽马暴。他说:“能让一个粒子具有如此之高能量的机制并不很多,伽马暴高居首位。”就在最近,冰立方宣布进一步发现了26个可能来自银河系外的中微子。

澳门威尼斯 2位于南极冰层之下的冰立方,已经探测到了来自银河系外的宇宙中微子。图片来源:dailygalaxy.com

阿梅利诺-卡梅利亚认为,他在冰立方的早期数据中还发现了另外3个银河系外的中微子——它们与量子时空效应的想法完美相符。它们飞来的方向与3个彼此独立的伽马暴大致相符,但如果它们真由这些伽马暴产生,它们到达地球的时间就比伽马光子早了几千秒钟。

由于中微子几乎不与物质互相作用,光子却要从坍缩的气体中寻找出路,因此中微子会比伽马光子更早地从这颗坍缩的恒星逃逸。但即便考虑到这一点,阿梅利诺-卡梅利亚仍认为,中微子和伽马光子达到时间之间的巨大差异,与它们和时空相互作用的效果不同是一致的。

埃利斯对此仍持怀疑态度。“每隔一段时间,一些人就会变得有点小兴奋,但我不认为眼下有任何在统计意义上算是确凿的证据,”他说,“其中的一个问题是,非凡的结论需要有非凡的证据,所以你要做的就是找到真正具有说服力的证据。”

要找到这样的证据,就不可避免地需要更先进的望远镜,让我们能够更迅速地探测更多的γ射线和中微子。瓦格纳参与了一项涉及23个国家、1000多名科研人员的国际合作,旨在建造MAGIC和HESS更为巨大的后继者——切伦科夫望远镜阵列。它的灵敏度将提高10倍,有能力每年探测到10到20个活动星系爆发。经过3年的技术开发和寻址工作,该项目正在寻求2亿欧元的资金,来把这架望远镜变成现实。

它最终会让我们睁开眼睛,看清周围的时空景观吗?参与其中的科学家希望如此。瓦格纳说:“我们没有理由悲观。”找到任何类型的时空结构,都将是一场超越爱因斯坦的革命,会向我们指明物理学界正在苦苦追寻的未来前进的方向。胡珀说:“它的重要性,说得再夸张,也不为过。”

 

编译自:《新科学家》,Warning light

2005年,我们似乎瞥见了它的答案。大型大气伽马射线成像切伦科夫望远镜(MAGIC),位于西班牙的加那利群岛,由一系列巨型接收器组成,用来探测宇宙中能量最高的光线——伽马射线。那一年的6月30日夜晚,MAGIC探测到了5亿光年以外的星系马卡良501中心巨型黑洞发出的伽马射线爆发。这一现象本身很平常。我们的理论预言,每当有东西落入黑洞时,都会产生一波辐射爆发。但剧烈到足以被地球上的望远镜——哪怕是类似MAGIC这样强大的探测器——捕捉到的爆发,却实属凤毛麟角。马卡良501星系中的这次爆发,是同类事件中第一个被我们观测到的。

这就是时空景观:物理宇宙的基本结构,抑或就是现实本身。虽然我们看不到它的跌宕起伏,却能感受到它的作用,我们称之为引力。“时空”这一概论,由物理学家赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann
Minkowski)在20世纪发展,并被阿尔伯特·爱因斯坦(Albert
Einstein)的广义相对论所采用,如今已成为整个物理学中最强大的概念之一。

在爱因斯坦之前,空间和时间被认为是宇宙分立的属性。对于艾萨克·牛顿(Isaac
Newton)来说,它们是神创造出来的刚性框架,甚至是上帝的某种具象体现,是上帝审视这个世界的“感觉中枢”,引力和运动全然是其旨意的体现。对于许多人来说,这一观点过于特立独行到了神学范畴。于是,牛顿的宗教解释很快就靠边站了。但很少有人质疑其背后的科学。

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澳门威尼斯 3来自遥远星系的奇怪信号,也许会成为超越爱因斯坦时空理论的第一道曙光。图片来源:《新科学家》

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