“拉索”驗(yàn)證相對(duì)論時(shí)空對(duì)稱正確性

愛因斯坦的相對(duì)論認(rèn)為，宇宙中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最快的速度是光速，這一限制有沒有可能被打破？這個(gè)問題可以通過洛倫茲對(duì)稱性的破缺來檢驗(yàn)。

最近，《物理評(píng)論快報(bào)》在線發(fā)表了我國(guó)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的最新檢驗(yàn)結(jié)果。“利用四川稻城的高海拔宇宙線觀測(cè)站‘拉索’（LHAASO）觀測(cè)的高能伽馬射線事例，LHAASO合作組研究人員對(duì)洛倫茲對(duì)稱性進(jìn)行了檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將洛倫茲對(duì)稱性的破缺能量標(biāo)度提高了大約10倍，這是當(dāng)前對(duì)洛倫茲對(duì)稱性的最嚴(yán)格檢驗(yàn)，再次驗(yàn)證了愛因斯坦相對(duì)論時(shí)空對(duì)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(zhì)運(yùn)動(dòng)最快的速度，這一限制不可能被打破。

那么，洛倫茲對(duì)稱性和相對(duì)論有什么關(guān)系？

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

然而，描述引力的廣義相對(duì)論和描述微觀世界規(guī)律的量子力學(xué)之間存在著難以調(diào)和的矛盾。理論物理學(xué)家為了把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來進(jìn)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(yù)言洛倫茲對(duì)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(duì)論可能需要被修正。”畢效軍解釋道。

因而，在實(shí)驗(yàn)上尋找洛倫茲對(duì)稱性破壞的跡象就成為檢驗(yàn)相對(duì)論、尋找更基本物理規(guī)律的一個(gè)“突破口”。

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

“在人工加速器只能達(dá)到大約104GeV能量的今天，在實(shí)驗(yàn)室里，這種破壞產(chǎn)生的效應(yīng)非常微弱，需要極高的實(shí)驗(yàn)精確度才可能被測(cè)量到，因而難以探測(cè)。”畢效軍說，但在天體活動(dòng)中存在非常高能的過程，比如，宇宙中存在能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人造加速器能夠加速的能量的粒子，洛倫茲對(duì)稱性破壞在這些高能粒子上的表現(xiàn)會(huì)更加顯著，也更容易探測(cè)。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(duì)稱性破壞效應(yīng)，但經(jīng)過長(zhǎng)距離傳播的累積會(huì)變得更容易探測(cè)。所以，天體物理觀測(cè)就成為尋找洛倫茲對(duì)稱性破壞的天然實(shí)驗(yàn)室。

LHAASO是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造運(yùn)行的宇宙線觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，2021年建設(shè)過程中就探測(cè)到目前人類已知最高能量的伽馬射線光子，能量達(dá)到1.4拍電子伏（1拍電子伏=1000萬(wàn)億電子伏），刷新紀(jì)錄的同時(shí)，也為探索基本物理規(guī)律、嚴(yán)格檢驗(yàn)洛倫茲對(duì)稱性正確性提供了難得的機(jī)會(huì)。

洛倫茲對(duì)稱性破壞會(huì)造成高能量光子不再穩(wěn)定，能夠快速衰變?yōu)橐粚?duì)正負(fù)電子對(duì)或者3個(gè)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(dòng)消失了。對(duì)地球上的觀測(cè)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(cè)量到這個(gè)天體的光子能譜也在這個(gè)特定的能量就忽然截?cái)嗔恕?rdquo;畢效軍解釋。

LHAASO的觀測(cè)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(duì)稱性在接近普朗克能標(biāo)下仍然是正確的。”畢效軍堅(jiān)定地說。