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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611286]
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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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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。
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2009年9月25日写于纽约
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2014年11月9日最新修订
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[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。
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[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？）
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[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。
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[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。
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[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。
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[6]这条原理是让电磁学规律满足相对性原理的必然推论。
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[7]这是2006年俄罗斯科学院核子研究所（Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences）的两位物理学家在《物理快报》（Physics Letters）上发表的一个结果。他们的大致思路是这样的：不同的粒子具有不同的速度上限意味着黑洞辐射中不同的粒子会有不同的辐射温度。假定粒子B的辐射温度高于粒子A，我们在黑洞外面构筑两个壳层，壳层A只能发射和吸收粒子A，壳层B只能发射和吸收粒子B，我们选择壳层的温度使得（粒子B的辐射温度）>（壳层B的温度）>（壳层A的温度）>（粒子A的辐射温度）。在这样的安排下，壳层A会通过粒子A将热量传给黑洞，而黑洞又会通过粒子B将热量传给壳层B，净效果是壳层A将热量传给壳层B，即热量自发地从低温物体传往了高温物体。
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[8]但反过来则不然，即相对论的破坏不一定意味着那种终极加强版的对称性——即所谓的CPT对称性——的破坏。因此严格地讲，它们并不完全是“一条绳上的两只蚂蚱”。
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[9]确切地讲，不同能量的光子具有相同速度可以推翻许多破坏相对论的理论，但相反的结果，即不同能量的光子具有不同速度，却并不能直接证实相对论的破坏，因为相对论所要求的只是存在一个不变速度，这个速度不一定非得是光子的速度，甚至不一定非得有任何粒子具有这一不变速度。
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[10]因为如果这次光子马拉松的结果可信，那么破坏相对论的效应将会细微到不自然的程度，比方说对于最简单的真空色散模型——即色散率的修正项线性正比于能量的模型——来说，破坏相对论的能标将会比所谓的“普朗克能标”（Planck scale）还高得多。
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[11]萨根的这一表述具有较大的公众影响，不过他并不是最早提出这类原则的人，早在两百多年前，法国数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）就曾说过：“支持一个超常主张的证据分量必须正比于主张的奇异程度。”
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