最新科研 中国大科学装置验证相对论时空对称理论的正确性

四川稻城高海拔宇宙线观测站探测高能量伽马射线光子示意图。

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。近日，位于我国四川稻城的高海拔宇宙线实验LHAASO合作组利用其观测的高能伽马射线事例，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约10倍，这是迄今对此类洛伦兹对称性的最严格检验，并再次验证了爱因斯坦相对论时空对称的正确性。

爱因斯坦的相对论原理要求物理规律具有洛伦兹对称性。自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，提出了弦论、圈量子引力理论等不同理论。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。因此，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“突破口”。

然而，根据这些理论的推断，洛伦兹对称性破缺只有在所谓的普朗克能标下才显著，这个能标高达1019 GeV，而人工加速器只能达到大约104 GeV能量。而在天体活动中存在非常高能的过程，因而天体物理观测便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年建设过程中便探测到目前人类已知最高能量的伽马射线光子。

在LHAASO观测中，洛伦兹对称性破缺会造成高能量的光子不再稳定，能够快速衰变为一对正负电子对或者衰变到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自动消失了。而LHAASO的观测数据显示，目前未发现任何高能伽马事例“神秘消失”的现象，表明洛伦兹对称性在接近普朗克能标下仍是正确的。

来源：北京日报 作者：高能

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