“拉索”最新实验验证爱因斯坦相对论时空对称的正确性

科技日报记者 陆成宽

爱因斯坦的相对论认为，宇宙中物质运动最快的速度是光速，这一限制有没有可能被打破？这个问题可以通过洛伦兹对称性的破缺来检验。

最近，《物理评论快报》在线发表了我国科学实验的最新检验结果。“利用四川稻城的高海拔宇宙线观测站‘拉索’（LHAASO）观测的高能伽马射线事例，LHAASO合作组研究人员对洛伦兹对称性进行了检验。实验结果将洛伦兹对称性的破缺能量标度提高了大约10倍，这是当前对洛伦兹对称性的最严格检验，再次验证了爱因斯坦相对论时空对称的正确性。”2月10日，LHAASO合作组成员、论文通讯作者之一的中科院高能所研究员毕效军说。

这意味着光速就是宇宙中物质运动最快的速度，这一限制不可能被打破。

那么，洛伦兹对称性和相对论有什么关系？

爱因斯坦的相对论是现代物理学的基石，相对论原理要求物理规律具有洛伦兹对称性。爱因斯坦提出相对论后的100多年时间里，洛伦兹对称性的正确性经历了无数的实验检验。

然而，描述引力的广义相对论和描述微观世界规律的量子力学之间存在着难以调和的矛盾。理论物理学家为了把广义相对论和量子力学统一起来进行了不懈的努力，提出了弦论、圈量子引力理论等不同的理论。“这些理论预言洛伦兹对称性在很高的能量下有可能被破坏，这意味着在高能量下相对论可能需要被修正。”毕效军解释道。

因而，在实验上寻找洛伦兹对称性破坏的迹象就成为检验相对论、寻找更基本物理规律的一个“突破口”。

但是，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（GeV，十亿电子伏特）。

“在人工加速器只能达到大约10⁴GeV能量的今天，在实验室里，这种破坏产生的效应非常微弱，需要极高的实验精确度才可能被测量到，因而难以探测。”毕效军说，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，尽管从天体源发射的粒子带有非常微弱的洛伦兹对称性破坏效应，但经过长距离传播的累积会变得更容易探测。所以，天体物理观测就成为寻找洛伦兹对称性破坏的天然实验室。

LHAASO是我国自主设计建造运行的宇宙线观测实验，2021年建设过程中就探测到目前人类已知最高能量的伽马射线光子，能量达到1.4拍电子伏（千万亿电子伏），刷新纪录的同时，也为探索基本物理规律、严格检验洛伦兹对称性正确性提供了难得的机会。

洛伦兹对称性破坏会造成高能量光子不再稳定，能够快速衰变为一对正负电子对或者3个伽马光子。

“换句话说，高能量的光子在飞往地球的旅程中就自动消失了。对地球上的观测者来说，即使天体源已经发出了能量更高的光子，我们测量到这个天体的光子能谱也在这个特定的能量就忽然截断了。”毕效军解释。

LHAASO的观测数据显示，目前的伽马射线谱到拍电子伏以上都是一直向高能延续的，并没有发现任何高能伽马事例“神秘”消失的现象。“这表明洛伦兹对称性在接近普朗克能标下仍然是正确的。”毕效军坚定地说。

关键词： 爱因斯坦 相对论