1707612530
1707612531
既然如此，那就让我们姑且假定相对论果真被破坏了。接下来的一个很重要的问题是：这种破坏会有什么后果？对这个问题的具体答案显然跟破坏相对论的具体方式有关，不过，由于破坏相对论的思路大都与时空的结构有关，而时空是引力的源泉，因此我们可以预期，破坏相对论的后果之一，就是使引力发生变化。
1707612532
1707612533
比方说，如果破坏相对论的肇事者是背景场，就有可能对引力产生影响。我们在前面提到过，背景场能对物质施加影响，这种影响的可能的体现方式之一就是对引力的修正。而且这种修正在不同位置、不同时刻可以是不同的——或者用一些科普报道所用的比喻来说，是苹果在不同季节的掉落快慢有可能是不同的。
1707612534
1707612535
除了苹果的掉落快慢有可能不同这样的“家常”后果外，破坏相对论还可能造成一些更严重的后果。比方说，相对论中有一条很基本的原理，叫做光速不变原理[6]，它表明光速是一个普适的极限速度。在很多破坏相对论的理论中，这条原理不再成立，不同的粒子可以有不同的极限速度。初看起来，这似乎没什么大不了，但是有科学家研究后发现，利用这一结果可以在黑洞附近让热量自发地从低温物体传向高温物体[7]。这是一个令人吃惊的结果，因为在自然界中，热量的自发传输一向是从高温物体传向低温物体，而不能相反。这是一条很重要的物理学原理，叫做热力学第二定律，违反这一原理的物理过程被称为第二类永动机，它与违反能量守恒定律的第一类永动机一样，被认为是不可能实现的。
1707612536
1707612537
因此，破坏相对论的后果很可能是牵一发动全身的，它所引发多米诺骨牌效应，很可能导致其他一些很重要的物理学原理也被破坏。这其实是可以预期的，因为物理学是一个整体，它的各个分支之间有着千丝万缕的关联，它的基础并不是一系列孤立假设的集合，我们很难在破坏像相对论那样的重要部分时不影响到其他部分。
1707612538
1707612539
1707612540
1707612541
1707612542
因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611286]
1707612543
因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 三、光子的马拉松——破坏相对论的证据？
1707612544
1707612545
以上我们介绍了很多理论上的东西，在物理学上，再雄辩的理论也离不开观测与实验的评判。对于相对论的破坏来说，它即便存在也极其微弱，我们该如何去寻找观测与实验的评判呢？在当前的条件下，比较有希望的探索方向主要有两类。
1707612546
1707612547
一类是探索微观世界的对称性破缺。这类探索有一段不短的历史。在1957年以前，人们曾经以为微观世界充满了对称性，其中很重要的一条是说微观世界的规律可以通过一面镜子去看而不被改变——这被称为宇称（parity）对称性。可惜这一对称性在1957年被证实是破缺的——确切地说是在所谓弱相互作用中是破缺的。不过这一对称性还可以加强，比如在通过镜子去看的同时把粒子与反粒子对换，可惜就连这种加强版的对称性在1964也被证实是破缺的——也是在所谓弱相互作用中破缺。但这一对称性还有一个终极加强版，那就是在通过镜子去看的同时，不仅把粒子与反粒子对换，而且让时间倒流。一些理论研究表明，在某些合理的条件下，这种终极加强版的对称性与相对论几乎是“一条绳上的两只蚂蚱”，一旦前者遭到破坏，后者也难以独善其身[8]。按照这一结果，只要我们能在微观世界里找到任何确凿的现象破坏这种终极加强版的对称性——比如发现任何一个基本粒子的质量、自旋、电荷、衰变方式等性质与反粒子不严格对应——就相当于间接证实了相对论的破坏。这方面的实验数据可以说是天天都在积累（虽然目的大都不是为了证实相对论的破坏），但迄今尚无任何证据显示相对论被破坏。
1707612548
1707612549
另一类探索在思路上更为直接。我们刚才提到过，在很多破坏相对论的理论中，光速不变原理不再成立。由此导致的结果，是不同的粒子可以有不同的极限速度。但除此之外，它往往还意味着不同能量的光子在真空中的传播速度彼此不同——这被称为真空色散（vacuum dispersion）。利用这一特点，我们可以让不同能量的光子进行跑步比赛，来观察它们的速度是否不同，进而判断相对论是否被破坏[9]。不过由于光子的速度实在太快，彼此的速度差异又即便有也极其细微，要想分出胜负，比赛必须是马拉松，而赛场只能是星空。
1707612550
1707612551
2005年夏天，天文学家们终于观察到了这样一次马拉松，一群高能光子从一个编号为“马卡良501”（Markarian 501）的遥远的活动星系核出发，经过5亿年的漫长旅程，抵达了地球。这群光子是一次伽马射线耀斑（gamma ray flare）的产物，它们的抵达被位于西班牙西南加那利群岛（Canary islands）上的“大气伽马切伦科夫成像望远镜”（major atmospheric gamma-ray imaging Cherenkov telescope，MAGIC）所记录。在记录中令科学界感到震动的是，能量在1.2～10TeV之间的高能光子的到达时间比能量在0.25～0.6TeV之间的低能光子晚了约4分钟，这与某些破坏相对论的理论所预期的大致相符。
1707612552
1707612553
那么，我们是不是可以就此宣布相对论被破坏了呢？不能。因为我们对这场5亿年前就起跑的马拉松知道得还太少，高能光子的到达时间虽然晚了4分钟，但它的起跑是否也晚了呢？我们却一无所知。
1707612554
1707612555
1707612556
1707612557
1707612558
1707612559
1707612560
图6 费米伽马射线太空望远镜
1707612561
1707612562
而更有意思的是，2009年，科学家们通过翱翔在外层空间的“费米伽马射线太空望远镜”（Fermi gamma-ray space telescope，FGST）又观测到了一次光子马拉松（图6）。参加这次马拉松的光子来自一次伽马射线暴（gamma ray burst），它的威力比产生前一次马拉松的伽马射线耀斑还要巨大得多，距离也更遥远得多（红移值约为0.9）。那些光子经过了数量级为百亿年的漫长跋涉才抵达地球，这几乎是我们这个宇宙所能提供的最长的赛程。这赛程是如此之长，以至于在这次马拉松起跑的时候，不仅我们不存在，就连我们脚下这颗蓝色星球都尚未形成！与上次不同的是，这次马拉松的结果是高能光子（能量约为31GeV）与低能光子（能量在10keV以下）几乎同时到达终点（时间差在几十毫秒到几秒之间，几乎可以忽略），从而不仅没有破坏相对论，反而几乎给所有破坏相对论的理论下达了死亡通知书[10]。
1707612563
1707612564
两次光子马拉松，一对彼此相反的结果，我们究竟该相信什么呢？答案恐怕是：什么都先别相信，去寻找更多的证据。著名的美国行星天文学家萨根（Carl Sagan）有一句名言：超常的主张需要超常的证据（extraordinary claims require extraordinary evidence）[11]。在相对论所具有的庞大的证据链面前，破坏相对论的理论无疑是超常的主张，但那两次光子马拉松却绝非超常的证据（更不用说它们还彼此矛盾），对所有有志于这一领域的研究者来说，探索的路还很漫长。
1707612565
1707612566
2009年9月25日写于纽约
1707612567
1707612568
2014年11月9日最新修订
1707612569
1707612570
[1]本文是应《科学画报》约稿而写的关于破坏相对论的可能性的科普，原本有几段文字针对的是编辑指定的《新科学家》（New Scientist）杂志所报道的一个新理论，但由于该理论在所介绍的领域内并无特殊重要性，修订时我删去了与该理论有关的内容，使本文成为了一般性的介绍。
1707612571
1707612572
[2]由于这些运动的方向各不相同，因此地球相对于宇宙微波背景辐射参照系的运动并不是上述数字的简单相加，而必须考虑方向的因素。观测表明，太阳系相对于宇宙微波背景辐射参照系的运动速度约为每秒370千米。（请读者想一想，我们为什么不给出地球的运动速度？）
1707612573
1707612574
[3]在广义相对论的每个时空点附近足够小的区域内，都可以找到特殊的参照系，在其中物理规律与在匀速运动的参照系中一样，这就好比光滑曲面上每个点附近足够小的区域都很接近平面一样。
1707612575
1707612576
[4]超弦理论本身是符合相对论要求的——确切地说是具有洛伦兹对称性（Lorentz symmetry）的，超弦理论中的相对论破坏（确切地说是指破坏洛伦兹对称性）是以对称性自发破缺的形式出现的。
1707612577
1707612578
[5]具体地说，双重狭义相对论是通过对动量空间中的庞加莱代数（Poincaré algebra）进行修改而来的，因此有时也被称为变形狭义相对论（deformed special relativity，缩写恰好仍是DSR）。双重狭义相对论除了像狭义相对论一样存在一个不变速度外，还存在一个不变动量（名称中的“双重”一词便由此而来）。双重狭义相对论的部分特点可以在某些非对易几何模型中找到渊源（但也只是数学渊源），另有些人则希望（目前还只是奢望）它能与圈量子引力建立联系。但迄今为止，该理论只有运动学，而无动力学，甚至连自洽性都尚待澄清。
1707612579