科学家试图挑战爱因斯坦的光速极限

狭义相对论基于这样一个原理：无论观察者之间如何相对运动，物理定律对所有观察者都保持不变。这一思想被称为洛伦兹不变性。随着时间的推移，洛伦兹不变性成为现代物理学的基本假设，尤其是在量子理论中。为何要质疑一个如此有效的原理 量子理论的发展以洛伦兹不变性为核心。量子场论和粒子物理学标准模型尤其如此——后者是迄今为止经过最彻底检验的科学理论，以极高的精度通过了实验验证。鉴于这样的记录，在洛伦兹不变性成功应用一个多世纪后对其提出质疑，似乎有些奇怪。质疑的动机源于爱因斯坦的另一项突破——广义相对论。该理论将引力解释为时空本身的弯曲。和狭义相对论一样，广义相对论在从弱引力场到极端宇宙条件等多种环境中都得到了极高精度的证实。量子理论与引力的冲突 尽管量子理论和广义相对论各自都很成功，但它们却难以顺畅地融合。量子物理学用概率波函数描述现实，而广义相对论则描述物质和能量如何塑造时空几何。当粒子在弯曲的时空中运动同时又影响这种弯曲时，这两种理论就难以共存。人们试图将这两种理论统一成一个被称为量子引力的单一框架，但常常遇到同样的障碍。许多提出的解决方案都要求洛伦兹不变性存在微小的破缺。这种破缺极其细微，但可能为探索现有理论之外的新物理提供线索。用宇宙之光检验爱因斯坦 一些违反洛伦兹不变性的量子引力模型有一个共同的预测：光速可能略微依赖于光子的能量。为了符合现有的实验限制，这种效应必须非常微小。然而，在最高的光子能量下，特别是在极高能伽马射线中，这种效应可能变得可探测。由巴塞罗那自治大学（UAB）前学生Mercè Guerrero和该校IEEC在读博士生Anna Campoy-Ordaz领导的研究团队，着手利用天体物理观测来检验这一想法。团队成员还包括阿尔加夫大学的Robertus Potting以及巴塞罗那自治大学物理系讲师、同时隶属于IEEC的Markus Gaug。他们的方法利用了光在宇宙中传播的巨大距离。如果不同能量的光子从遥远的光源同时发出，即使它们的速度差异极小，在到达地球时也可能累积成可测量的延迟。对新物理更严格的限制 研究人员使用一种新的统计方法，结合现有的极高能伽马射线测量数据，检验了标准模型扩展（SME）理论框架中理论家们关注的几个违反洛伦兹不变性的参数。他们的目标很宏大：希望找到爱因斯坦的假设在极端条件下可能失效的证据。爱因斯坦的预测再次成立。这项研究没有检测到任何洛伦兹不变性的破缺。即便如此，研究结果仍然意义重大。新的分析将之前的限制提高了一个数量级，大大缩小了新物理可能存在的范围。探索远未结束。下一代观测设施，如切伦科夫望远镜阵列天文台（Cherenkov Telescope Array Observatory），正被设计用来以更高的灵敏度探测极高能伽马射线。这些仪器将使科学家能够继续检验物理学最深刻的基础，并不断将爱因斯坦的理论推向极限。