在2022 年2 月出版的《物理評論快報》上，中科院高能物理研究所的一支研究團隊，介紹瞭如何以最高精度來檢驗相對論的有效性。該機構在高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的主頁寫道：“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”。

該天文台旨在觀測伽馬/ 宇宙射線引發的空氣簇射（來自：IHEP.CAS.CN）

早些時候，位於我國四川稻城的高海拔宇宙線實驗LHAASO 合作組，利用其觀測的高能伽馬射線事例，對洛倫茲對稱性進行了檢驗。

論文通訊作者之一、中科院高能物理研究所的畢效軍研究院指出：實驗期間，LHAASO 天文台觀測到了世界上能量最高的宇宙伽馬射線，而他們也藉此機會開展了洛倫茲對稱性的檢驗。

截圖（來自：LHAASO）

此外中科院紫金山天文台的張毅、袁強研究員也參與了這項實驗合作，帶領博士研究生高林青、陳恩生、趙世平等對我國LHAASO 實驗觀測的高能伽馬射線數據進行了分析，觀測結果再次驗證了洛倫茲對稱性。

與之前的最佳結果相比，新實驗將洛倫茲對稱性的破缺能量標度提升了大約10 倍—— 這是迄今為止對此類洛倫茲對稱性的最嚴格檢驗，也再次驗證了愛因斯坦相對論“時空對稱”（Space-Time Symmetry）的正確性。

研究配圖- 1：對比擬合結果

作為現代物理學的基石，愛因斯坦相對論要求物理定律具有洛倫茲對稱性。自愛因斯坦提出相對論後的100多年時間裡，洛倫茲對稱性的正確性經歷了無數的實驗檢驗。

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。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、尋找更基本物理規律的一個“突破口”。

研究配圖- 2：排除曲線

SCI Tech Daily指出：這些理論預測，洛倫茲對稱性很可能在非常高的能量下被打破，意味著相對論可能需要在高能下加以修改。

正因如此，通過尋找洛倫茲對稱性破缺的信號來檢驗相對論、並發展更基本的物理定律，對於回答這個問題也變得至關重要。

根据这些理论的推断，洛伦兹对称性破坏只有在所谓的普朗克能标下才显著，这个能标高达1019GeV！（1 GeV = 10 亿电子伏特）

對於人工加速器只能達到大約104GeV能量的今天，在實驗室裡這種破壞產生的效應非常微弱，需要極高的實驗精確度才可能被測量到，因而難以探測。

但在天体活动中存在非常高能的过程，比如，宇宙中存在能量远远高于人造加速器能够加速的能量的粒子，洛伦兹对称性破坏在这些高能粒子上的表现会更加显著，也更容易探测。

又如，儘管從天體源發射的粒子帶有非常微弱的洛倫茲對稱性破壞效應，但經過長距離傳播的累積而變得更容易探測。因而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。

研究配圖- 3：約束條件比較

位於四川稻城的高海拔大型宇宙線實驗（LHAASO），是我國自主設計建造運行的宇宙線觀測實驗。

在2021 年建設還沒有完成的時候，它就已經探測到迄今已知最高能量的伽馬射線光子，能量達到了1.4 拍電子伏。

在刷新這項記錄的同時，也為探索基本物理規律、嚴格檢驗洛倫茲對稱性正確性提供了難得的機會。

在LHAASO 觀測中，洛倫茲對稱性破壞會造成高能量的光子不再穩定，能夠快速衰變為一對正負電子對或者衰變到3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！對於我們在地球上的觀測者來說，即使天體源已經發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。

而LHAASO的觀測數據顯示，目前的伽馬射線譜到拍電子伏以上都是一直向高能延續的，並沒有發現任何高能伽馬事例’神秘’消失的現象，表明洛倫茲對稱性在接近普朗克能標下仍然是正確的。

綜上所述，當接近普朗克能量標度時，洛倫茲對稱性仍然保持不變。

有關這項研究的詳情，已經發表在2 月3 日的《Physical Review Letters》上。

原標題為《Exploring Lorentz Invariance Violation from Ultrahigh-Energy γ Rays Observed by LHAASO》。

【cnBeta.com 綜合】