挑战爱因斯坦？这束本该消失的光穿越20亿光年来到地球

2022年10月9日，天文学家突然发现了一场异常明亮的伽马射线暴。

它来自大约20亿光年之外，亮到几乎可以用“宇宙级爆炸”来形容。天文学家给它取了一个相当直白的绰号：BOAT，也就是“有史以来最亮的一次”。

但真正让物理学家坐不住的，并不是它有多亮。

而是一束光。

一束能量高达约300 TeV的伽马射线光子，从20亿光年外一路飞到了地球。

问题在于，按照我们目前最标准的物理理论，它本来就不应该走这么远。

换句话说：

我们探测到了一个按照现有理论，本来不应该存在于这里的光子。

最近，意大利国家天体物理研究所（INAF）的Giorgio Galanti与意大利国家核物理研究所（INFN）的Marco Roncadelli提出了一种新的解释。论文已经被《Physical Review Letters》接收。

他们认为，答案可能藏在两个非常陌生的概念里：一种假想粒子，以及爱因斯坦相对论在极高能量下可能出现的细微偏离。

事情得从这束光为什么“不该到达”说起。

宇宙看起来空空荡荡，但实际上并不空。

整个宇宙都浸泡在一种古老的光里。

它就是宇宙微波背景辐射，也就是大爆炸留下的余辉。

138亿年来，这些光子几乎遍布整个宇宙。

所以，一束极高能量的伽马射线在宇宙中长途跋涉，并不是在一条真正意义上的“真空公路”上飞行。

它一路上都有可能撞上别的光子。

对于普通光来说，这些碰撞并不是什么大问题。

但对于300 TeV这种极高能量的伽马光子来说，情况完全不同。

当它与宇宙微波背景中的光子发生相互作用时，可以产生电子和正电子。原来的高能光子因此被消耗掉。

而且这种事情发生的概率，会随着光子能量和传播距离增加而迅速变得重要。

因此，一个300 TeV的光子如果真的从20亿光年之外出发，按照标准模型的计算，它应该在半路上就被宇宙中的“光”挡住。

它根本不应该来到地球。

这就像你朝一片密得看不见尽头的树林射出一支箭，然后告诉别人：

这支箭穿过了20亿光年的树林，一棵树都没撞上。

按照概率，它实在不应该这么幸运。

但2022年的BOAT事件偏偏出现了这样的“箭”。

俄罗斯高加索地区巴克桑天文台的Carpet探测器捕捉到了这束异常高能的光子。

能量约为300 TeV。

这是目前从伽马射线暴中探测到的最高能量光子。

于是，一个非常直接的问题摆到了物理学家面前：

它究竟是怎么活着来到地球的？

其实，过去已经有人想到过一种办法。

答案叫“轴子样粒子”，英文缩写是ALP。

这种粒子目前还没有被实验直接发现，但它在一些理论物理模型中扮演着重要角色。

如果宇宙中真的存在轴子样粒子，那么高能光子在传播过程中，可能暂时转换成这种粒子。

这很关键。

因为轴子样粒子不像光子那样容易受到宇宙背景光的影响。

于是就可能出现这样一种情况：

光子飞了一段路。

变成轴子样粒子。

继续穿越宇宙。

到了银河系附近，又重新变回光子。

这样一来，原本很难穿越宇宙的高能光子，就相当于偷偷换了一种身份。

这种机制确实可以解释一些高能伽马射线为什么能够比预想中传播得更远。

但300 TeV还是太高了。

单靠这个办法，依然解释不了这次观测。

于是Galanti和Roncadelli进一步修改了问题。

他们没有简单地说“再加一种新粒子就好了”，而是开始怀疑：

也许问题根本不在光子身上，而在我们描述时空的方式上。

这里就碰到了爱因斯坦。

现代物理学有一个非常重要的原则，叫做“洛伦兹不变性”。

简单来说，物理定律不应该因为观察者运动状态不同，就突然换一套规则。

无论你站在地球上，还是以高速飞船飞过宇宙，只要处在合适的惯性参考系中，基本物理规律应该保持一致。

这个原则是狭义相对论的核心支柱之一。

到目前为止，人类已经用无数实验验证过它。

但有一个问题。

我们从来没有真正进入过那些极端到离谱的能量尺度。

量子引力理论的一些模型认为，在接近极端高能的条件下，时空本身可能不再表现得像我们熟悉的那个时空。

洛伦兹不变性也可能出现极其微小的偏离。

这种偏离平时完全察觉不到。

但对于一个能量达到300 TeV的光子来说，哪怕这种变化小得不可思议，也可能产生累积效应。

Galanti和Roncadelli正是从这里切入。

他们把两种机制放到了一起：

光子可以在传播过程中与轴子样粒子相互转换；

与此同时，在极高能量下，洛伦兹不变性可能存在微小偏离。

这样一来，原本应该被宇宙背景光“吃掉”的高能光子，就可能拥有一条不同的传播路径。

它不再完全按照标准模型预想的方式与宇宙中的背景光发生作用。

宇宙对于它来说，突然变得更加“透明”。

于是，这束300 TeV的光终于有机会从20亿光年外来到地球。

但真正让研究人员感到有意思的，还不是它能不能到达。

而是：

它什么时候到达。

这件事情看起来不起眼，却可能是整个故事中更加关键的一块拼图。

如果这个模型是正确的，那么高能光子和低能光子在传播过程中应该出现不同的时间延迟。

研究人员计算发现，这个300 TeV光子应该比低能光子晚大约一个小时抵达地球。

而来自中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的观测恰好显示出了类似的延迟。

也就是说，现在出现了两个现象。

第一个：

一个按照标准物理很难穿越20亿光年的300 TeV光子，真的抵达了地球。

第二个：

它抵达的时间，又与这个新模型预言的延迟相符合。

这就比单纯发现一个“异常光子”更加耐人寻味。

因为一个理论如果只能解释一个异常现象，往往还不能说明太多问题。

但如果同一套模型能够同时解释两个彼此相关的现象，事情就值得认真研究了。

当然，这距离“爱因斯坦错了”还差得远。

甚至不能说这项研究已经证明了洛伦兹不变性遭到了破坏。

因为目前唯一的一次异常事件远远不足以推翻一个经过大量实验检验的理论框架。

科学家真正做的是：

提出一种能够同时解释现有观测的理论方案，然后等待更多数据来检验它。

这也是这项研究最值得注意的地方。

它并不是简单地告诉我们：

“相对论失效了。”

而是在说：

如果这个300 TeV光子的确来自20亿光年外，那么我们可能需要认真考虑，在极高能量下，时空是否存在一些我们过去没有看到的性质。

这件事为什么重要？

因为地球上的粒子加速器再强，也很难真正模拟宇宙中这些极端环境。

宇宙本身却一直在制造这样的天然实验室。

伽马射线暴、黑洞附近的极端环境、超高能宇宙线，都能够把粒子加速到远远超出普通实验条件的能量。

这意味着，宇宙中的一束光，有时候反而能够成为比地球实验室更好的物理实验。

尤其是量子引力。

这是现代物理学一直没有解决的难题之一。

广义相对论擅长描述大尺度的宇宙和引力。

量子力学则统治着微观世界。

两套理论各自都非常成功，却始终没有被彻底统一。

而真正困难的地方，就在那些既极端微小、又拥有极强引力和极高能量的环境。

我们无法轻易把一个黑洞搬进实验室。

也无法制造一个真正意义上的早期宇宙。

但我们可以等。

等宇宙自己把一束极高能量的光送到我们面前。

这也是这次300 TeV光子真正令人兴奋的地方。

它可能只是一次极其罕见的天文现象。

也可能只是我们对伽马暴传播过程的某些细节还理解得不够。

甚至可能意味着轴子样粒子真的存在。

更大胆一点，它还可能暗示：

在极端能量下，我们熟悉的时空并不是最终答案。

目前，没有任何一种解释已经获得最终确认。

研究人员提出的模型还需要未来更多伽马射线暴的观测来检验。

如果以后不断发现类似的超高能光子，而且它们都表现出相似的传播特征和时间延迟，那么事情就会越来越难用偶然解释。

到那个时候，我们可能面对的就不再是一束“不该抵达地球的光”。

而是一扇真正通往新物理的大门。

20亿光年之外，一场巨大的爆炸已经结束了20亿年。

它发出的光穿越漫长的宇宙，终于来到地球。

其中有一颗光子，几乎穿过了整个宇宙的黑暗。

而我们现在真正想知道的，并不是它为什么这么幸运。

而是：

它是不是在告诉我们，宇宙最深处的物理规律，可能和我们想象的不太一样。