“拉索”驗證相對論時空對稱正確性

愛因斯坦的相對論認為，宇宙中物質運動最快的速度是光速，這一限制有沒有可能被打破？這個問題可以通過洛倫茲對稱性的破缺來檢驗。

最近，《物理評論快報》在線發(fā)表了我國科學實驗的最新檢驗結果。“利用四川稻城的高海拔宇宙線觀測站‘拉索’（LHAASO）觀測的高能伽馬射線事例，LHAASO合作組研究人員對洛倫茲對稱性進行了檢驗。實驗結果將洛倫茲對稱性的破缺能量標度提高了大約10倍，這是當前對洛倫茲對稱性的最嚴格檢驗，再次驗證了愛因斯坦相對論時空對稱的正確性。”2月10日，LHAASO合作組成員、論文通訊作者之一的中科院高能所研究員畢效軍說。

這意味著光速就是宇宙中物質運動最快的速度，這一限制不可能被打破。

那么，洛倫茲對稱性和相對論有什么關系？

愛因斯坦的相對論是現(xiàn)代物理學的基石，相對論原理要求物理規(guī)律具有洛倫茲對稱性。愛因斯坦提出相對論后的100多年時間里，洛倫茲對稱性的正確性經(jīng)歷了無數(shù)的實驗檢驗。

然而，描述引力的廣義相對論和描述微觀世界規(guī)律的量子力學之間存在著難以調和的矛盾。理論物理學家為了把廣義相對論和量子力學統(tǒng)一起來進行了不懈的努力，提出了弦論、圈量子引力理論等不同的理論。“這些理論預言洛倫茲對稱性在很高的能量下有可能被破壞，這意味著在高能量下相對論可能需要被修正。”畢效軍解釋道。

因而，在實驗上尋找洛倫茲對稱性破壞的跡象就成為檢驗相對論、尋找更基本物理規(guī)律的一個“突破口”。

但是，根據(jù)這些理論的推斷，洛倫茲對稱性破壞只有在所謂的普朗克能標下才顯著，這個能標高達1019GeV（1GeV="10"億電子伏）。

“在人工加速器只能達到大約104GeV能量的今天，在實驗室里，這種破壞產(chǎn)生的效應非常微弱，需要極高的實驗精確度才可能被測量到，因而難以探測。”畢效軍說，但在天體活動中存在非常高能的過程，比如，宇宙中存在能量遠遠高于人造加速器能夠加速的能量的粒子，洛倫茲對稱性破壞在這些高能粒子上的表現(xiàn)會更加顯著，也更容易探測。又如，盡管從天體源發(fā)射的粒子帶有非常微弱的洛倫茲對稱性破壞效應，但經(jīng)過長距離傳播的累積會變得更容易探測。所以，天體物理觀測就成為尋找洛倫茲對稱性破壞的天然實驗室。

LHAASO是我國自主設計建造運行的宇宙線觀測實驗，2021年建設過程中就探測到目前人類已知最高能量的伽馬射線光子，能量達到1.4拍電子伏（1拍電子伏=1000萬億電子伏），刷新紀錄的同時，也為探索基本物理規(guī)律、嚴格檢驗洛倫茲對稱性正確性提供了難得的機會。

洛倫茲對稱性破壞會造成高能量光子不再穩(wěn)定，能夠快速衰變?yōu)橐粚φ撾娮訉蛘?個伽馬光子。

“換句話說，高能量的光子在飛往地球的旅程中就自動消失了。對地球上的觀測者來說，即使天體源已經(jīng)發(fā)出了能量更高的光子，我們測量到這個天體的光子能譜也在這個特定的能量就忽然截斷了。”畢效軍解釋。

LHAASO的觀測數(shù)據(jù)顯示，目前的伽馬射線譜到拍電子伏以上都是一直向高能延續(xù)的，并沒有發(fā)現(xiàn)任何高能伽馬事例“神秘”消失的現(xiàn)象。“這表明洛倫茲對稱性在接近普朗克能標下仍然是正確的。”畢效軍堅定地說。