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墨西哥火山上挑战相对论极端实验:光速依然是恒定的

2020/4/9 12:01:17来源:新浪科技作者:任天责编:远洋评论:

北京时间4月9日消息,光速是宇宙中已知最高的速度,而在墨西哥一座死火山的顶部附近,科学家通过一项实验对一种极端情况进行测量,试图找到光速有可能并非恒定不变的证据。

现有的物理学理论可以很好地解释大部分的宇宙,但当涉及到某些极端情况,比如物质在黑洞表面如何相互作用,或大爆炸之后的物质相互作用时,这些理论就失效了。测试爱因斯坦理论的极限并发展出一个更广泛的理论,从而将这些极端情况纳入其中,已经成为一个全新的物理学领域。但是,并非每一次测试都能证明现代的物理学理论是正确的。这项新的实验可能就是物理学家们迄今面临的最大挑战。

该研究的作者之一、洛斯阿拉莫斯国家实验室的天体物理学家帕特·哈丁(Pat Harding)表示,当实验结果出来的时候,他的直觉反应是非常震惊。相对论是爱因斯坦最著名的理论,而这项新研究将该理论的应用范围扩展到了一些不可能在地球或太空中直接获取的能量上。大多数量子引力模型中,相对论行为将在极高的能量下崩溃,许多奇特的现象就变得可能,例如高能射线粒子的传播速度可能会比光速更快或更慢。

一些物理学家试图用稍微不同于现有理论的观点(如弦理论)来解释宇宙中出现的一些神秘偏差。这些偏差只出现在极端情况下,比如超高能粒子。物理学家正在墨西哥普埃布拉的高海拔切伦科夫天文台(HAWC)寻找这样的偏差,看看是否存在违反洛伦兹不变性(Lorentz constant)的情况。洛伦兹不变性是物理标准模型的重要组成部分,指对于每个静止的物体(不管其在空间中的方向如何),或是处于恒定运动中的物体(可以用数学公式在静止和运动的帧之间进行转换)来说,物理定律都是一样的。这种对称性的结果就是,光速在真空中是一个恒定值,略低于每秒3亿米。

违反洛伦兹不变性,意味着极高能量的宇宙射线可能会以快于或慢于恒定光速的速度传播,并可能产生可见的影响。这些粒子可能会衰变或分裂,无法到达地球。在观测实验中,这将表现为能以足够高的能量撞击探测装置的光子数量下降。墨西哥高海拔切伦科夫天文台的物理学家们寻找的就是这一信号。

该天文台由位于墨西哥内格拉火山(Sierra Negra)顶部附近的数百个大型水箱组成。高能的伽马射线粒子在与大气相互作用时,会产生大量粒子,当它们与水相互作用时,会产生小的闪光。光电倍增管能够将这些闪光转换成信号,根据这些信号,科学家就可以重建出造成闪光的高能粒子。

科学家结合了计算入射光子能量的方法,获得了很清晰的数据:光子数量并未下降。HAWC继续观察来自天体物理源的光子,其能量高达285 TeV,是地球上最强大的粒子物理实验——大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC)——中粒子束能量的40多倍。这些伽马射线的存在排除了能量最高的光子超越光速的可能性。而且,根据巴西圣保罗大学的物理学家温贝托·马丁内斯-韦尔塔(Humberto Martinez-Huerta)的数学计算,这一观测结果使得违反洛伦兹不变性的理论成立时所需的最小能量尺度增加了100倍,换言之,相对论成立的能量尺度提高了100倍。

简而言之,即使是最令人难以置信的高能光粒子仍然是以光速传播,因为在地球上的实验可以测量到它们。换句话说,假如这些高能粒子的速度超过光速的话,它们将衰变成较低能量的粒子,永远不会到达地球。研究人员在发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的论文中指出,这一观察结果对物理学家在解决某些悬而未决的问题时,在现有理论基础上进行的扩展提出了限制。

不过,马丁内斯-韦尔塔解释道,观测结果并没有限制所有对爱因斯坦理论的扩展。也许违反洛伦兹不变性的情况会出现在其他粒子中,或者可能会导致一些光子的速度低于光速。

美国印第安纳大学的物理学家拉尔夫·莱纳特(Ralf Lehnert)没有参与这项研究,但他表示,这项工作是可靠的。他重申这项研究只是测量洛伦兹不变性的方法之一,和其他数十次试图寻找洛仑兹不变性失效证据的测试一样,都没有获得预期的结果。

下一步,科学家计划继续扩大搜索范围。HAWC的研究者在水箱中加入了更多的水,并增加了实验的灵敏度。但就目前而言,爱因斯坦的相对论仍然拒绝让步,即使是在最极端的情况下。

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关键词:光速

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