量子力学和相对论，为什么两者仍处在不相容的境地？

宇宙的基础结构是时间和空间，但这两者既看不到又摸不着，我们能感知的只是它们的力——引力。爱因斯坦的广义相对论把这两者结合起来，称为时空，成为现代物理学中最具权威的一个概念。

在近代物理学兴起之时，牛顿把时间和空间视为神创的、绝对的。虽然神创论早已被科学界抛弃，但在当时其绝对性仍未被质疑。19世纪中期，天文界在对水星的绕日轨道进行研究时，发现利用牛顿的动力学无法获得满意的解释，直到广义相对论问世才解决了这一难题。但是，这种解释必须得把时间和空间合为一个整体，并且两者相互作用，成为一个时空连续体。

不过，这一观点始终有个缺憾——没有人知道它的基本特性，尽管相对论在数学上把时空的性质描述得很完美。在爱因斯坦看来，它们是一个完整平滑的平面，因恒星、星系等物质被弯曲，并产生引力。很明显，这只是对时空的几何形态的描述，并未述及其本质特性。

再来看看物理学的另一个台柱——量子论——是如何看待时间和空间的。在这个把微观世界描绘得十分成功的理论看来，世界万物无一处在静止状态，并且都是不确定的。粒子和能量处于起伏状态，它们会在最短的时标（在量子效应的影响大于重力效应之下的时间尺度）内涌出，继而湮灭。

最关键的是，这两大理论现在仍处在不相容的状态，两者对时空的表述大不相同。相对论视时间和空间为一个时空连续体，是一个平滑的四维扁平体；量子论则认为空间是由无数10-35米的小点组合而成的，并且从不将时间看成是真实的、可观察的存在。已故科学家霍金说过，根据相对论，时间和空间具有明显的差别，但是量子论可使这两者不同的性质被抹掉。在越来越接近宇宙的初始点时，时间就越具有跟空间维度相似的特性。这种转变并非偶然，而是通过不确定性原理，使时间的特性变得越来越模糊，最终从空间中逐渐渗出。不过，霍金没有把这个观点发展成一个系统的理论。

当然，所有这些都是理论家的看法，孰是孰非，得靠观测事实的验证。天文学家比我们更着急，他们一直在观测，试图从中获得线索。令人感到欣慰的是，现在总算有了一些眉目。

研究者说，来自各种天体的信号与相对论所预言的有出入。若观测是可信的，那时空的真实情况就要比爱因斯坦预测的崎岖得多，相对论的观念不是时空（或引力）的最终结论。这意味着，我们可能要从根本上改变对宇宙的认识。

研究者认为，宇宙中的万物，从最大的星系到最小的基本粒子，从最暗的射电辐射到最亮的伽马射线，都沉浸在时空之中。因此，它们总会以某种方式与其相互作用，而这种相互作用就有可能表现出某种信号，使我们能观测到，最终得到时空的真貌。意大利罗马大学的乔万尼·阿梅利诺·卡梅利亚说：“这是一个漂亮的问题，我们正处在答案的始点。”

大型大气伽马射线切伦科夫成像望远镜（MAGIC）设在非洲西北岸的加那利群岛，是一个大型的望远镜阵列，用来探测伽马射线。科学家似乎看到了一个答案。当年6月30日，这一阵列测到了一个伽马射线暴，它来自马卡良501星系中心的巨型黑洞，距离我们达5亿光年之遥。这是人类首次观测到如此遥远的这类辐射。

经过仔细分析，科学家发现这一辐射非同一般，它的低能辐射要比高能辐射早到地球4分钟。这是一个大问题，因为按照相对论的时空观，所有的光（不论其能量大小）都以同一速度飞驰。从实际观测来看，结果倒是与量子论的空间理论相符。

目前有好几种量子引力论，总的来说，它们的时空观较为类同，即时空不是一个平滑的连续体，而是一个躁动的量子泡沫体，且其泡沫没有明确的表面。爱因斯坦的有起伏的时空景观，则更像海浪滔滔的洋面，通过这个洋面，粒子和辐射奋力而去。长波的低能光线有如一艘班船，在量子泡沫的海洋中滑行；而短波的高能光线则像一只小的救生船，须在波浪中搏斗前进。

其实早在1998年，卡梅利亚和当时任职于欧洲核子研究所的约翰·埃利斯就曾提出，来自遥远的活动星系的高能光，可用来测定时滞效应。只要距离较大，即使略小的效应也能测出。而MAGIC正是看到了这个现象。

这些实例在天体物理学上是稀有的，MAGIC的观测引起了科学界热烈的讨论。类似的伽马射线望远镜高能立体系统（HESS，设在纳米比亚）捕捉到另一大星系的伽马暴。

该星系被称为PKS2155-304，距离我们20亿光年，因此其时间滞后效应理应更为明显。

实际上却没有。巴黎第六大学的阿格涅斯卡·扬丘尔科斯卡认为，不管时空到底是什么，但只要我们假设时空处处是相同的，就表明在来自马卡良501的伽马射线上观测到的时滞，是其自身所固有的特性。例如，粒子沿着星系中心的磁场被加速，它首先发射出低能射线。不过这都是推测，迄今还无法确切知道该星系中心到底发生了什么。

事情一直拖到了2016年，一个人类从未见过的极高能伽马射线。这是一个伽马射线暴，是由美国航空航天局的费米望远镜于2016年4月27日观测到的，因此被命名为GRB130427A。它并非来自活动星系的中心，而是一个超大星球的爆炸性死亡，其簇射为一般伽马暴的10倍。

之后研究者发表论文指出，他们观测到了几百秒的时滞效应（低能与高能伽马射线之间）。卡梅利亚说：“这个数据很显眼，是有关时滞现象的第一个有力证据。”

那么，相对论真的被推翻了吗？其实理论家早就考虑到一种可能：新的观测结果能让我们建立新的、更有力的宇宙学。要想充分了解宇宙，我们必须知道它是如何从一个微小的初生宇宙，逐渐变成今日这种状态的。因此，我们必须把相对论和量子论结合起来。然而，尽管理论界已经花了近30年的时间，但两者仍处在不相容的境地。

现在，研究者普遍看好两个量子引力理论，即弦论和圈量子引力理论。前者认为，时空含有十维，除了通常的三维空间和一维时间，其他的六维则蜷缩到我们无法测量的程度；后者把时空想象成一个铠甲链，由无数相同的圈交织在一起。

再来看一下观察方面的进展。卡梅利亚等人又陆续报告了其他四个伽马暴的观测数据，虽然结果与方程一致，但还没有获得结论性的支持。

就在卡梅利亚的报告公开后不久，扬丘尔科斯卡的研究小组分析了另外4个由费米望远镜观测到的低能伽马暴。不过，他们还是没有发现时滞现象。

扬丘尔科斯卡认为，只要这种解释建立在同类源的单一观测基础上，那就不十分可靠。他说：“如果我们找到的效应出自相似的两个源，就能证明我们确实找到了什么。”

研究者指出，另一种可清晰观测的对象就是中微子。中微子实际上以光速运动，且很难跟其他东西相互作用。但它们也携带能量，理应跟时空相互作用。如果卡梅利亚的观点正确，那么中微子也会出现因能量产生的时滞效应。不过，这需要我们观测足够远的中微子，因为只有这样才能使时滞效应累积到可观测的程度。然而，迄今我们观测到的中微子，都是来自太阳和超新星SN1987A的，在观测时滞效应上，这个距离太近了。

曙光可能就在前方了。冰立方是埋在南极冰层下的中微子探测器，体积达到1立方千米，它找到的两个中微子引发了一场科学争论。这两个中微子的能量比太阳中微子高得多。美国费米实验室的丹·库柏说，对此唯一的解释是它们可能来自伽马暴，因为“没有其他东西可使单个粒子拥有如此大的能量”。之后，冰立方又发现了26个中微子，很可能来自银河系之外。

卡梅利亚说，他在冰立方早期的记录中还发现了另外三个中微子。它们与量子时空所发生的效应完全吻合，来自三个独立的伽马暴。如果得到确认，它们到达地球的时间就比伽马光子早了几千秒。

通常认为，中微子来自塌缩星，要比伽马暴的光更快到达地球，因为它在旅途中不跟其他东西相互作用，而光子却要从塌缩星的气体中寻找出路。把这些因素考虑进去，卡梅利亚认为，中微子和伽马光子到达地球时间的巨大间隔，与它们跟时空相互作用的效应是一致的。但埃利斯对此仍持怀疑态度，认为“这没有任何统计学上的坚实证据”。

或许只有更大的望远镜，才能更快、更多地找到伽马射线和中微子。现在，一个由来自23个国家1000多位研究者参与的团体，正拟建一个比MAGIC和HESS更大的继任者。这个切伦科夫阵列的灵敏度将比前者高10倍，每年能发现10个至20个活动星系的爆发。

该团体成员瓦格纳认为，我们没有理由悲观。找到任何类似的时空结构，将是一场可匹敌爱因斯坦的发现的革命，物理学正为未来前进的方向寻找道路。