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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 二、破坏相对论的思路与后果
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物理学家们之所以要这样问，当然也有具体的原因。比方说我们前面提到的两个理论——描述基本粒子的相对论量子场论与描述宇宙的广义相对论——虽然各自都很成功，却迄今无法和睦共处。更糟糕的是，作为物理理论，它们又不可能做到井水不犯河水。因为在有些场合——比如在大质量、高密度的天体附近——哪怕是基本粒子之间的相互作用，也必须考虑引力的影响；又比如在宇宙大爆炸的初期，整个宇宙都处在微观尺度上，哪怕是最宏观的性质，也不能忽略量子效应。因此，相对论量子场论与广义相对论必须以某种方式融合到一起，这种融合是现代物理学所面临的最棘手的课题之一。
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有意思的是，试图将这两个同时满足相对论要求的理论融合到一起的努力，却为破坏相对论的可能性开启了思路。
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其中有一种努力的途径是认为问题的根源在于时空貌似光滑，其实却不然。当我们探索到只有原子核的一万亿亿分之一（10-20）的尺度——被称为普朗克尺度——上时，时空也许会显示出像网格一样的结构。这就好比一片丝绸，远远看去很光滑，拿到放大镜下，却可以看到密密层层的网格结构。如果时空真的有那样的网格结构，那么伽利略船舱中的人只要有足够厉害的“放大镜”，就有可能通过观测时空的网格结构，来判断轮船是否在运动，从而破坏相对论的要求。
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另一种努力的途径则是认为，时空中有可能存在一种被称为“背景场”的东西。这种东西不是由物质产生的，却能对物质施加影响（用物理学家们的术语来说，这是一种非动力学场），而且这种影响在不同位置、不同时刻，甚至对不同观测者都有可能是不一样的。如果说时空网格像一片丝绸，那么这种背景场就像一种流体——比如水。在水中，即便我们无法像观察丝绸网格那样观察水分子，也依然可以判断物体的运动，因为我们可以观察水对物体的阻力。如果时空中真的存在那样的背景场，那么伽利略船舱中的人就可以通过观察它对普通物体的作用来判断轮船是否在运动，这同样破坏相对论的要求。
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上面这些思路并非单纯的幻想，而是多少有一些物理上的缘由，甚至是某些理论模型的推论。比如时空的网格结构与一种被称为“圈量子引力”（loop quantum gravity）的理论不无渊源，而背景场的思路则可以从所谓的“超弦理论”（superstring theory）中获得某种支持[4]。
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破坏相对论这个潘多拉盒子一经打开，其他可能性也就应运而生了。比如有一种思路是这样的：将现实世界的物质全都扔掉，直接对相对论的数学结构开刀，由此可以得到一种被称为“双重狭义相对论”（doubly special relativity，DSR）的理论。这是一种很大胆的思路，可惜的是，迄今还没人知道如何将被扔掉的物质重新放回到理论中去，因此这种思路的物理意义起码在目前还是成问题的[5]。不过在一个连相对论都被怀疑的研究方向上，谁又敢说这种思路一定就没有可能呢？历史上纯粹源自数学考虑，却最终获得物理意义的例子毕竟还是有的，因此这样的思路也有一些人在研究。
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看来破坏相对论的思路不仅有，而且还不止一条。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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？
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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图6 费米伽马射线太空望远镜
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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]。
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