□作者: Alan Kostelecky
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對相對論的背離，可以表現為鏡像反物質時鐘的時標速率以及物質沿某些特定方向的拉伸。 |
愛因斯坦的相對論一度曾是神聖不可侵犯的物理觀念，但為了發現終級理論的證據，科學家正在努力搜尋各種背離相對論的實例。
相對論是最根本的物理理論的核心。阿爾伯特•愛因斯坦在1905年提出的相對論，其基本的核心思想是物理法則對任何一位慣性觀測者——即沿任意方向作勻速運動的觀測者——均取相同的形式。相對論預測了一系列著名的效應，包括光速不變性（即所有慣性觀測者測得的光速均相同），運動時鐘變慢，運動物體的長度收縮，以及質量和能量的等價關系（E=mc2）等。眾多高度靈敏的實驗已經證實了這些效應，使得相對論現今成了實驗物理學基本的實用工具之一。粒子對撞機利用了粒子在高速運動時質量增大、壽命延長的效應，而對放射性同位素進行的實驗則與質量轉模成能量有關。甚至連消費電子產品也受到相對論的影響︰全球定位系統（GPS）必須考慮到時間膨脹效應，因為這種效應使該系統在軌衛星所攜帶的時鐘走動的快慢發生變化。
然而，近年來，把所有已知力與已知粒子整合成一個終極的統一理論的嘗試推動了一部分物理學家積極探討這樣一種可能性︰相對論的基本原理實際上只是對自然界運行機制的一種近似描述。他們希望，對相對論的微小偏離，有可能正是人們長期以來苦苦追求的終極理論的第一批實驗證據。
物理法則對于不同的觀測者保持不變，這一性質代表了空間和時間（時空）的一種對稱性，稱為洛侖茲對稱（以荷蘭理論物理學家洛侖茲的名字命名，他從1890年代開始研究這一現象。）理想的球體具有一種常見的對稱性，叫做旋轉對稱性︰無論你怎樣轉動球，它看起來都是完全一樣的。洛侖茲對稱與物體看起來是否不變沒有關系，它表示的是物理學法則在旋轉以及加速（即速度改變）下的不變性。觀測者無論朝什麼方向（旋轉），也無論他的速度有多快（加速），他看到的物理學法則是相同的。只要洛侖茲對稱成立，空間就具有各向同性的特點，即所有方向和所有勻速運動都是等價的，沒有一個方向或一種勻速運動高人一等，與眾不同。
時空的洛侖茲對稱構成了相對論的核心。科學家對速度改變下的對稱性進行深入研究後，推導出了所有著名的相對論效應。在愛因斯坦1905年的論文發表以前，有關這些效應的方程已經由包括洛侖茲在內的其他幾位研究者建立起來了，但他們通常把這些方程解釋為是對物體所發生的物理變化的描述。例如，告訴運動時長度之所以會收縮，是因為原子間的鍵的長度變短的緣故。愛因斯坦的偉大貢獻在于他把所有這些分散的、零碎的成果統一起來，並且意識到長度和時鐘的快慢之間存在著緊密的聯系。時間和空間這兩個原本獨立的概念融合成了一個統一的觀念︰時空。
我們對基本粒子和基本力的最出色的描述，其真正的根基少不了洛侖茲對稱這一關鍵要素。洛侖茲對稱與量子力學原理想結合，孕育出了相對論性量子場論這一理論體系。該理論認為，每種粒子或力都由一種充滿整個時空並具有適當的洛侖茲對稱的場描述。電子或光子之類的粒子則是相關場中定域激發的產物（量子）。粒子物理學的標準模型就是一種相對論性量子場論（標準模型描述所有已知粒子以及除引力外的所有已知力，包括電磁力、弱力和強力。）洛侖茲對稱的要求使這一理論中的場的性質和相互作用都受到了嚴格的約束。許多相互作用本來可以表述成看來似乎成立的項，以加進量子場論的方程中，但由于它們違背了洛侖茲對稱，因而還是被排除了。
標準模型並不包括引力相互作用。對引力最成功的描述要數愛因斯坦的廣義相對論，它也以洛侖茲對稱為基礎。（“廣義”這個術語的意思是引力也包括在內，而“狹義”相對論則不包括引力。）在廣義相對論中，不管觀測者取什麼方向以及他的運動速度有多快，任一給定地點上的物理學法則對他來說都是相同的，這一點與前面所說的狹義相對論的情況沒有什麼差別，但引力的作用使不同地點上進行的實驗相互間的比較更為復雜了。廣義相對論是一種經典理論（即非量子理論），沒有人知道如何以完全令人滿意的方式把它同基本的標準模型整合成一體。不過，這兩種理論可以部分地結合起來，得到一個名為“含重力的標準模型”的理論（the Standard Model with gravity），它可以描述所有粒子和所有4種力。
統一與普朗克尺度
標準模型與廣義相對論的這一合並，在描述自然方面總的說來取得了驚人的成功。它描述了所有已確立的基本現象和實驗結果，沒有一項已獲證實的物理學實驗證據是它所不能解釋的[見本刊2003年第8期Gordon Kane所著《粒子物理新時代》一文]。但是許多物理學家卻認為這一合並不能令人滿意。麻煩之一在于，盡管量子力學和引力理論各自都有出色的表述，但它們現有的形式在數學上似乎是不相容的。在引力和量子效應均起著重要作用的場合（例如冷中子克服地球引力而上升的經典實驗），引力作為一種以外部施加的力納入到量子描述中。這種表征方法用于模擬該項實驗是極為成功的，但它並非一種根本的、自恰的描述，因而不能令人滿意。這就好比是我們在描述一個人舉起重物的過程時，對于骨骼的機械強度和其它方面的性質我們已經建立了精確的模型並給出了分子水平上的解釋，但對于肌肉我們卻只能把它當作一個可以產生一定範圍的力的黑盒子式的神秘機器。
由于上述原因及其他一些原因，許多理論物理學家認為，必定可以建立一種終極理論，即把量子力學和引力天衣無縫地融為一體，從而對自然界作出完整的統一描述的理論。最早研究統一理論這一設想的物理學家中就有愛因斯坦本人，他在晚年曾冥思苦索過這一問題。他的目標是建立一種不但能解釋引力，也能解釋電磁力的理論。但可惜他同這個問題過招似乎是太早了一點。現在我們相信，電磁力同強力及弱力存在密切的關系。（強力在質子和中子等粒子的組成成份夸克之間起作用，而弱力則引起某些類型的放射性以及中子的衰變。）只是在愛因斯坦逝世之後，科學家們才根據新發現的一些實驗結果對強力和弱力作出了足夠精確的描述，好歹算是對它們本身有了比較深入的認識。至于把它們同電磁力及引力整合為一體，那就更不是愛因斯坦的時代所能完成的任務了。
實現這個終極理論的一條頗有希望而又相當全面的途徑是弦論。弦論依據的假設是，所有的粒子和力都可以用被稱為“弦”的一維客體以及被稱為“膜”的二維及高維薄膜來描述[參見本期Raphael Bousso與Joseph Polchinski所著“一睹弦論大地的風光”一文]。建立終極理論的另一條途徑是所謂“圈量子引力”假說，它試圖對廣義相對論作出自洽的量子力學解釋，並預測空間是有離散的體積和面積單元（即量子）拼湊成的[參看本刊2004年第3期Lee Smolin所著《量子化時空》一文]。
無論終極理論最後以什麼面目出現，預計量子物理學和引力都將在10*-35米這一基本長度尺度上（稱為普朗克長度，以19世紀德國物理學家馬克斯•普朗克的名字命名）結合為一個不可分割的整體。普朗克長度實在太小，任何常規的顯微鏡或高能粒子對撞機之類的非常規顯微裝置都無法直接觀測到（粒子加速器最多只能探測到10*-19米的尺度）。因此，打造一個令人信服的終極理論其難度之大自不必說，想要直接觀測次理論必定有把握地預測的新穎物理現象也是一項不切實際的希望。
盡管存在這些障礙，我們可能仍然有一條途徑來獲得普朗克尺度上統一理論的實驗信息。統一理論所蘊含的新物理現象可以通過種種細微的間接效應反映出來，而這些效應或許能在靈敏度足夠高的實驗中觀測到。我們可以用電視機或計算機屏幕上的圖像來作類比。這類圖象由無數小而明亮的像素構成，而像素的尺寸與觀看圖像時眼楮到屏幕的距離相比是非常小的。因此，電視圖像在眼楮看來是平滑的圖案。但在某些特殊的情況下，像素會變得比較明顯。例如，當新聞主播系著一條有狹窄條紋的領帶時，我們會看到屏幕上出現雲紋圖案。普朗克尺度產生的一類“雲紋圖案”就是偏離相對論的一些現象。在宏觀距離上，時空具有洛侖茲不變性。但在足夠小的距離上，量子物理學和引力融為一體後的一些新特性可能導致這種對稱性發生破缺。
普朗克尺度上偏離相對論的現象所產生的可觀測效應大概在10*-34到10*-17這一尺度範圍內。為了讓你體會一下這些數字有多麼小，我們可以做這樣一個比較︰一根頭發絲的粗細等于整個可見宇宙的直徑的10*-30左右。即使10*-17也是小得不可想象︰它大致等于一根頭發絲與海王星軌道的直徑之比。因此，為了探測到違反相對論的事例，需要進行某些靈敏度最高的實驗。
另一種可能被違反的基本時空對稱性是所謂CPT對稱。如果在同時進行3種變換時物理學法則不受影響，那麼CPT對稱就成立。這3種變換分別是粒子與反粒子的互換（電荷共軛，C），鏡像反射（宇稱反演，P）以及時間倒流（T）。標準模型服從CPT對稱，但容許違背相對論的理論則可能使這種對稱性遭到破壞。
古老的光
為了使探測相對論背離的實驗具有極高的靈敏度，一條途徑是考察已經在宇宙中進行了數十億光年的偏振光的性質。當光穿越本來是真空的空間時，SME理論中的某些違背相對論的相互作用將使光的偏振發生變化。光穿過的距離越遠，這種變化就越大。
在SME理論中，與光有關的違背相對論的主要事例，既包括破壞CPT對稱的事例，也包括保存CPT對稱的事例。由于專業的理論原因，我們預計破壞CPT的事例不會出現，或者可以忽略不計。對宇宙學資料的研究已經證實了這一預測，其靈敏度達到10*-42。在保存了CPT對稱的違背相對論事例中，約有一半可以通過測量宇宙學偏振而觀測到︰光在行進時其偏振的變化與顏色有關。本問作者與Matthew Mewes在美國印第安納大學研究了遙遠星系發出的紅外光、可見光和紫外光的偏振資料，以尋找這類效應存在的證據；對于支配這些背離的系數，我們獲得了10*-32的靈敏度。
與光有關的其他一些違背相對論的行為，可以在實驗室中借助與經典的邁克爾遜-莫雷相對性檢驗類似的現代實驗來測量（該檢驗以物理學家Albert Michelson和化學家Edward Morley的名字命名）。最初的邁克爾遜-莫雷實驗是發出兩束相互垂直的光，檢驗它們的相對速度是否與方向無關。現今最靈敏的實驗采用共振腔，例如讓一個共振腔在轉台上旋轉並測量在轉動過程中共振頻率有無變化。美國斯坦福大學的A•Lipa小組利用超導共振腔來考察微波共振的性質。德國柏林洪堡大學的Achim Peters和杜塞爾多夫大學的Stephan Schiller及其合作者則使用藍寶石晶體共振腔中的激光。這些實驗和其他研究小組進行的類似實驗已經達到10*-15至10*-11的靈敏度。
時鐘比較實驗
研究人員通過時鐘比較實驗，也使探測相對論背離的測量達到了極高的靈敏度。這類實驗探測的是時鐘走動的快滿是否隨其方向而變。典型的基本“時鐘”是磁場中的原子，而它走動的快慢則是該原子兩個能級之間的躍遷頻率（此頻率與磁場的強度有關）。時鐘的方向定義為外加磁場的方向；在實驗室中外加磁場通常是固定的，因此隨著地球的自轉而轉動。另外還有一台時鐘用于監測第一台時鐘的快慢。這第二台時鐘通常取作發生同一種躍遷的不同類型的原子。要使對相對論的背離明顯表現出來，時鐘的快慢（即躍遷頻率）必須受到不同程度的影響。
至今最靈敏的這類實驗是在哈佛-史密森天體物理學研究中心Ronald Walsworth的實驗室中進行的。對于中子的SME系數的某一特定組合，這些實驗達到了10*-31這一驚人的靈敏度。Walsworth的小組把氦和氖混合在同一玻璃燈泡中，並使這兩種氣體變成微波量子放大器（即微波型的激光），此項技術功力之深堪稱非同小可。然後他們對這兩台微波量子放大器的頻率進行了比較。
其他一些研究機構也進行了各種各樣以原子為時鐘的時鐘比較實驗。對于與質子、中子和電子有關的各種不同類型的相對論背離，這些實驗達到了10*-27至10*-23的靈敏度。還有的實驗不是使用原子，而是使用單個的電子、正電子（反電子），帶負點的氫離子以及M原子等（這種“原子”由一個帶正電的M子和一個繞M子運行的電子構成）。
研究人員計劃在國際空間站（ISS）和其他衛星上進行幾項時鐘比較實驗。這類實驗有一系列潛在優點，其中之一是更容易覆蓋所有空間方向。在地面進行的時鐘比較實驗通常利用地球的自轉，但地球的自轉軸是固定的，這就使此類實驗對某些類型的旋轉對稱性背離的靈敏度受到了限制。由于ISS的軌道平面是傾斜的並且在進動，因此可以覆蓋所有的空間方向。另一個優點是，ISS的軌道周期為92分鐘，這就使數據讀取的速度比固定的地面實驗快16倍。（ISS常常要調整方位使其總是以同一側面向地球，因此，除了在92分鐘里繞地球一周外，它還每92分鐘轉動一周。）
反物質
比較粒子和反粒子的性質，就可以直接檢驗CPT背離。一種經典的CPT檢驗方法是使用一類名為K介子的基本粒子。人們發現，弱相互作用原來會使K介子逐步轉變成它的反粒子即反K介子，然後又變回來。這類K介子振蕩處于非常微妙的平衡狀態，即使是很輕微的CPT背離也會導致振蕩發生顯著的變化。已經有若干大規模的合作實驗項目通過考察K介子振蕩來搜尋CPT背離的蹤跡。目前，對K介子的洛侖茲背離和CPT背離靈敏度最高的約束是由KteV（1015電子伏）合作項目獲得的。這一實驗利用美國費米國家實驗室的巨型Tevatron加速器產生大量的K介子。結果是以10*-21的靈敏度對SME系數進行了兩次獨立的測量。
正在歐洲粒子物理實驗室（CERN）進行的兩項實驗（ATHENA和ATRAP）采用的方法是捕獲反氫，並把它的光譜特性與氫的光譜特性進行比較。如果CPT得意保持，那麼兩者的光譜特性應當相同[見上頁圖文]。只要兩者有任何差異，那就是CPT背離的證據，從而也是洛侖茲背離的證據。
對相對論的高靈敏度檢驗也利用了由一些特殊材料做成的實驗物。這些材料中許多電子的自旋合起來就產生了一個淨的總自旋。（可以把每個電子的自旋想象成一根微小的羅盤針。方向相反的羅盤針互相抵消，而方向相同的羅盤針則互相迭加起來，產生一個較大的總自旋。）這類材料是相當常見的；例如，條形磁鐵的磁場就源于總自旋。然而，在尋找洛侖茲背離的證據時，強磁場的存在卻是一個障礙。為了避開磁場的不利影響，美國華盛頓大學的Eric Adelberger和Blayne Heckel及其同事設計並建造了一個自旋極化環，它有一個淨電子自旋，但沒有外部磁場[見本頁圖]。該環被用作一只扭擺中的擺錘，而此扭擺則懸掛在一個旋轉平台的支架上來回扭轉。如果我們發現扭擺振蕩所受到的擾動與擺的取向有關，那就意味著與自旋相關的洛侖茲背離的證據浮出水面了。對于確定與電子有關的相對論背離的界限，這套裝置得出了目前的最佳結果，其靈敏度為10*-29。
情況有可能是背離相對論的事例已經被探測到了，但研究人員卻沒有意識到這一點。近年來，研究人員已經證明，中微子這種神出鬼沒、來去無蹤的基本粒子會發生振蕩，這一發現要求最低形式的標準模型必須作修改。[參見本刊2003年第6期Arthur B•Mc Donald，Joshua R•Klein及David L•Wark所著《破解太陽中微子之謎》一文]。現在通常認為，中微子發生振蕩的原因是這種粒子具有先前人們所不知道的微小質量。但是SME理論也預測中微子具有不尋常的振蕩特性。理論家們已經證明，用相對論背離這一概念和SME理論來描述中微子的行為可能比用質量來描述中微子這一傳統的方法簡單。將來對中微子的數據進行分析後，可能會證實這一設想。
我介紹的這些實驗證明，利用現有的技術，可以達到普朗克尺度上的靈敏度。雖然迄今尚未發現任何令人信服的證據表明存在著背離相對論的現象，但研究人員一直在考察少數幾種背離相對論的情形。今後幾年這個領域將取得若干重大的進展，不但檢驗相對的實驗其範圍將擴大（也就是將測量更多的系數），而且實驗的深度也將達到新的水平（也就是達到更高的靈敏度）。如果我們最終得以發現背離相對論的事例，那麼此發現就意味著我們對宇宙的認識將在最根本的層次上煥然一新。
[武曉嵐/譯 曾少立/校]
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文章作者:Alan Kostelecky
責任編輯:skylook
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