在互联网上搜寻时间旅行者,刺破爱因斯坦相对

图片 1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》

图片 2像Doctor Who那样的时间旅行者,很可能是不存在的。当然,也可能是他们没时间上互联网。因为最新一项研究没能在互联网上找到他们留下的任何踪迹。图片来源:comicvine.com

(文/Robert Adler)“王冠下的脑袋总是难以安稳,”莎士比亚的这句话,同样可以送给今天粒子物理学的标准模型。这是迄今为止对物质基元及其相互作用最为成功的描述。最近找到的非常类似希格斯玻色子的粒子,让这个理论更加冠冕堂皇,因为这不仅证实了一个近40年之前的预言,而且填补了这个理论最后的空白。不过我们并未就此满足,反倒更为迫切地希望将标准模型拉下马来,去寻找那些最终必然超越它的崭新物理篇章。“标准模型就是粒子物理学,”诺贝尔奖得主杰克·施泰因贝格(Jack Steinberger)说,“但很多问题目前仍无望回答。”

(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。

你能在互联网上找到任何东西,不是吗?不过,一项最新研究表明,你在互联网上找不到时间旅行者存在的证据。至少,你找不到经得起推敲的时间旅行者。

这些问题包括暗物质的本质,即这种据信占据宇宙80%质量的神秘不可见物质究竟什么?然后还有暗能量,它被认为是宇宙加速膨胀的推手,而粒子物理学家将它的强度高估了10120倍,可谓错得前无古人后无来者。标准模型还无法回答物质如何逃脱大爆炸,如何将引力纳入其中。不仅如此,它还备受所谓“自由参数”(free parameter)的困扰,这些数值不能由标准模型自身得到,必须人为放进模型中,而且数值也是任意确定的,比如对模型内相互作用强度的设定就是如此。

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。

1月6日,在美国华盛顿特区召开的美国天文学会年会上,密西根理工大学的天体物理学教授罗伯特·纳米洛夫(Robert Nemiroff)和他的研究生特丽萨·威尔逊(Teresa Wilson),以“在互联网上搜索时间旅行者的证据”(Searching the Internet for Evidence of Time Travelers)为题,向大家介绍了他们的这项研究。

消解这些难题需要新的物理。研究者曾寄希望于希格斯粒子,但由于希格斯粒子目前表现得基本上中规中矩,也许通向标准模型之外的物理新世界的钥匙并不在它身上,而藏身于另一种粒子:中微子。

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。

研究始于一场扑克牌。2013年夏天,纳米洛夫和他的学生们打牌时,谈到了Facebook。他们好奇一件事情:如果时间旅行者就在我们中间,他们会不会也上社交媒体呢?怎么样才能找到他们?能够把他们搜索出来吗?

2011年9月,中微子曾一度街知巷闻,当时深埋于意大利大萨索山山体下的OPERA实验项目宣称,测量出中微子的传播速度超过光速,直接违背了爱因斯坦的狭义相对论。6个月之后,这个结果被证实源自实验本身的一处差错。即便闹了乌龙,这些让人着迷的小粒子仍然有很多故事和秘密等待我们去发现。

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。

“我们对这个问题展开了一场异想天开的小型讨论”,纳米洛夫说。结果就有了这项有趣但严肃的研究,试图从互联网上找出从未来穿越回来的时间旅行者留下的蛛丝马迹。

中微子如幽灵一般,不但神秘而且孤僻,因为它们几乎不与周围的物质世界发生相互作用。有关中微子的这些谜团都超出了标准模型的能力之外。我们目前知道3种中微子,它们看上去井井有条,分别和电子及电子的两个更重的表亲——μ子和τ子组成一对,构成完整的轻子家族。但一开始,标准模型就错误地假设,中微子的质量为0,而且直到今天都无法在模型框架内确定中微子的质量。因此,标准模型也没能预见到中微子能在3种形态之间来回变化,更别说存在更多种中微子的可能性了。

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。

当然,你不可能指望召集一场时间旅行者的选秀大赛,期待会有未来人主动投上门来。所以,纳米洛夫的团队开发出了一套搜索策略,其基础就是他们所说的“预知”。如果他们能够在世人有可能知道某人或者某事之前,就在互联网上发现有人谈到了这些人或者事,那就表明提到它们的这个人,是从未来穿越回来的。

很多新的理论希望填补这些缺陷,这其中包括大统一理论、超对称和弦论。它们当中的某一个,或许解释中微子为何如此奇异,从而拔得头筹。反过来,中微子本身则会告诉我们,哪个理论才是众望所归。

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