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优秀的科学家善于发挥所有工具的作用。格莱森、扎泽宾和库兹闵就意识到，我们已经接近了一个巨大的实验室，它比地球上所能建造的任何实验室都大得多，那就是宇宙本身。我们可以探测在经历了大部分宇宙年龄的旅行之后到达地球的宇宙线。在它们的旅行中，非常微弱的效应——在地球实验中不可能看到的小效应——可以放大到我们能看到它。如果用宇宙作为实验工具，我们可以看到比人们从前想象的要深刻得多的自然结构。
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关键的一点在于，宇宙线穿越的空间不是真空，而是充满着宇宙微波背景辐射。格莱森和苏联科学家们意识到，能量大于某个特定值的质子将与背景辐射中的光子发生相互作用，产生新的粒子（很可能是π子即π介子）。这种粒子生成过程需要能量，而能量是守恒的，于是高能光子会慢下来。这样看来，如果质子携带的能量超过生成π子需要的能量，那么空间对它来说就像是不透明的。
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于是，空间的作用仿佛是一种过滤器。构成宇宙线的质子，只有在能量低于生成π子需要的能量时，才能穿过。如果能量太高，它们会生成π子，减慢速度，不断重复相同的过程，直到不再能生成π子。这就像宇宙为质子规定了一个速度极限。GZK三人预言，达到地球的质子的能量，都不会超过以这种方式生成π子所需要的能量。他们预言的生成π子所需要的能量大约是普朗克能量（1019 GeV）的十亿分之一，被称作GZK截断。
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这是很大的能量，比我们所知的任何事物都更接近普朗克能量。它比当前规划的最精密的粒子加速器所能产生的最高能量还要高1000万倍。GZK预言是对爱因斯坦狭义相对论的严峻考验。与地球上做过的或可能做的任何实验相比，它在更高的能量、更接近光速的速度的情况下检验了相对论。1966年，当GZK预言发表时，人们只看到过能量低于预言的截断能量的宇宙线，不过当前已经制造了几个仪器，可以探测等于甚至超过截断能量的宇宙线粒子。其中一个实验叫AGASA（明野巨型空气簇射阵列），是在日本进行的，报告了至少十多起那样的极端事件。这些事件的能量大于3×l020 eV——大约相当于棒球手击球的能量，却是一个质子携带的。
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这些事件也许预示着狭义相对论在极端能量下失败了。哈佛物理学家科尔曼（Sidney Coleman）和格拉肖在20世纪90年代末提出，狭义相对论的破产可能提高生成π子所需要的能量，从而提高GZK截断能量，预示更高能量的质子也能达到我们地球的探测器。94
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这并不是对观测到的高能宇宙线质子的唯一解释。它们也可能是在距离地球足够近的地方生成的，还没来得及与宇宙微波背景发生相互作用，因而速度还没有减慢。这只需要看看那些质子是不是来自天空的某个特殊地方。目前还没有证据，但是很有可能。
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这些极端高能的粒子也可能完全不是质子。它们可以是迄今未知的某些稳定粒子。本来就比质子的质量大得多。如果是这样，那也是一个重大发现。
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当然，这些实验也可能是错的。AGASA小组报告说，他们的能量测量中有25%的不确定性，这是一个很大的误差来源，但还不足以解释他们看到的高能事件的存在。然而，他们对实验精度的估计也许是错误的。
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幸运的是，正在进行的一个实验将解决这个矛盾。这就是奥格（Auger）宇宙线探测器，正运行在阿根廷西部的彭巴斯草原。如果奥格探测器证明了日本人的观测，如果可以忽略其他可能的解释，那么它将是最近百年来最重大的发现——人们将眼睁睁地看到，构成20世纪科学革命的一个基础理论第一次失败了。
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为了观测如此极端能量的宇宙线粒子，需要什么工具呢？具有那么高能量的粒子来到大气顶部时，会产生其他类型的粒子簇射，像雨一样降落到一片广阔的土地。奥格实验由分布在阿根廷彭巴斯草原3000km2的几百个探测器构成。同时，几个高精度光学探测器不断扫描天空，捕捉粒子簇射产生的光。通过综合所有这些探测器的信号，奥格的研究者们就能决定原来那些落在大气层的粒子的能量，判断它们来自什么方向。
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我写这些东西时，奥格天文台刚公布第一批数据。好消息是实验运行良好，但仍然没有足够的数据判定基于狭义相对论预言的截断是否存在。不过我们还是有理由希望经过几年的运行之后，会有足够数据来解决这个疑问。
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即使奥格小组宣布狭义相对论依然成立，其发现本身也将是最近25年来——即未发现质子衰变（见第四章）以来——最重要的基础物理学发现。理论在没有实验指导下的黑暗中摸索的漫长岁月终于到头了。但如果奥格发现狭义相对论不完全正确，那么它将预示着新物理学的到来。那时，我们还需要花一定的时间来弄清那个革命发现有什么意义，会把我们引向什么地方。
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物理学的困惑 第十四章 站在爱因斯坦肩头
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假如说奥格计划或其他什么实验证明爱因斯坦的狭义相对论破产了，这对弦理论来说是一个坏消息：它意味着21世纪的第一个重大实验发现竟然全然出乎最流行的“万物之理”的预料。弦理论假定狭义相对论是正确的，和爱因斯坦在100年前写下它的时候一样。实际上，弦理论的主要贡献之一就是构造一个与量子论和相对论都协调一致的关于弦的理论。所以，弦理论预言，不论不同频率的光子来自多么遥远的地方，它们都以相同的速度传播。我们已经看到，弦理论没做出多少预言，但这是一个；其实，它是弦理论唯一的一个可以用目前技术检验的预言。
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如果狭义相对论的预言错了，又将意味着什么呢？有两种可能。一种可能是狭义相对论错了，而另一种可能是进一步深化它。因为这一区别，引出了最近几十年来基础物理学中最惊人的新思想。
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有几个实验可能粉碎或修正狭义相对论。奥格实验能做到，但我们对γ射线爆发的观测也能做到。那是一种剧烈的爆发，它在若干分之一秒内产生的光，和整个星系发出的光一样多。顾名思义，多数这样的光都是γ射线的辐射，它们是能量较高的一些光子。大概平均每天都有一个这样的爆发信号来到地球。第一个信号是在20世纪60年代末由军事卫星（本来是为了寻找非法的核试验）发现的。现在有专门的科学卫星在观测它们。
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尽管有一些可能的理论，但我们还不知道γ射线爆发是什么来源。它们可能来自两颗中子星的碰撞或一颗中子星与一个黑洞的碰撞。不论哪种情形，两个天体都应该相互环绕几十亿年了，但这样的系统是不稳定的。当它们以引力波形式辐射能量时，它们会非常缓慢地盘旋着相互靠近，直到最终发生我们所知的最剧烈的碰撞。
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爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，光不论频率多少，都以相同速度传播。γ射线爆发为检验这个论断提供了实验条件，因为它们在很短的时间内爆发出多种能量的光子。最重要的是，它们可以经过数十亿年才到达我们，因此走进了实验的核心。
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假如爱因斯坦错了，不同能量的光子将以略微不同的速度传播。如果两个在相同距离处产生的光子在不同时刻到达地球，那么这无疑预示着狭义相对论失败了。
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如此重大的发现有什么意义呢？这首先依赖于理论失败所在的物理学尺度。我们预料狭义相对论可能失败的一个尺度是普朗克长度。回想一下第十三章说的，普朗克尺度大约是质子大小的10-20。量子理论告诉我们，这个尺度代表了一个临界点，在小于它的尺度下，经典的时空图景将彻底瓦解。爱因斯坦狭义相对论是那个经典图景的一部分，所以我们可以认为它将在那个尺度崩溃。
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有什么实验能看到空间和时间结构在普朗克尺度破裂的效应吗？在当前的电子学水平，可以探测不同光子到达我们的微小时间差，但电子学是不是足以测量更微弱的量子引力效应呢？几十年来，理论家们一直在说，普朗克尺度太小，目前能做的实验还不能探测到它。就像100年前多数物理学教授认为原子太小而看不到，我们也在无数的论文和讲义里重复着这个谎言。那真是一个谎言。
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值得注意的是，直到20世纪90年代中期，我们才认识到其实我们是可以探测普朗克尺度的。和许多事情一样，当少数几个人认识到它，想发表他们的思想时，却招惹了一片嘘声。其中一个是西班牙物理学家冈萨雷斯一梅斯特（Luis Gonzalez-Mestres），在巴黎国家科学研究中心工作。像这样的发现，在某人拿去公开发表之前，都会被不同的人独立发现过多次。在这个例子中，另一个发现者是罗马大学的乔万尼·阿梅林诺-卡梅里亚（Giovanni Amelino-Comelia）。他现在40出头，有着意大利南方人所特有的魅力和热情，钟情于物理，全身心地投入物理。量子引力的科学家们很幸运有这样一个伙伴。
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当乔万尼在牛津做博士后时，就下决心寻求一种方法来观测普朗克尺度。这在当时似乎完全是疯狂的野心，但他敢于证明常识是错误的，并找到了证明的方法。他从质子衰变的检验获得了灵感。预言的质子衰变（见第四章）是一种极端稀有事件，但假如把足够多的质子放在一起，就可能看到它的发生。巨大的质子数量起着放大的作用，使极端微小和稀有的事件成为可见的。乔万尼给自己提出的问题是，这样的放大作用能否使他探测普朗克尺度的现象。
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