相对论时空结构的极限考验

Arcman

相对论时空结构的极限考验    

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物理学家总是喜欢在极端条件下寻找物理定律的破绽，从而发现理论改进的线索或者验证新理论是否成立。
在地球引力场中，爱因斯坦的相对论其实跟牛顿定律并没什么区别。无论是水星近日点的进动，还是光线经过太阳边缘时的弯折角度，这些支持相对论的实际观测结果，都得拜太阳的强引力场所赐。至于近来才观测到的引力波，更是需要类似黑洞合并这样的极端事件帮忙。
如今诸如量子引力理论或者弦理论等一批新理论，也必须寻找足够极端的环境，才能发现当前理论描述与实际观测的偏差，并借此验证新理论的种种预言。
在试图统一相对论和量子理论的模型中，有些理论将时空的和谐对称视为一种宏观近似，预言在足够微观的尺度上不再有满足洛伦兹协变性的时空结构，即产生所谓LIV（Lorentz invariance violation，洛伦兹不变性的破坏）。尤其是在量子引力的理论中，如果时空本身可以被量子化，那么几乎必然意味着洛伦兹不变性将在某个小尺度上被破坏。如果能够通过观测接近这一尺度，无疑将对相关理论验证提供诸多直接证据。
不过想要触及此类理论预言的极限并非易事，据推算只有在能量接近100TeV量级的光子身上，才能表现出与现有理论的明显差异。这种能量级别比现有对撞机的能量上限还要大一两个数量级，可想而知将其全部加诸于一个光子之上的难度。不过好在除了在地球上大兴土木地建设高能对撞机之外，那些来自宇宙深处的神秘高能射线，也是我们天然的极限条件实验场。
位于墨西哥塞拉内格拉火山的HAWC天文台，就是这样一座专门观测高能宇宙射线的观测站。HAWC是High Altitude Water Cherenkov的缩写，顾名思义就是在高海拔地区观测水中的切伦科夫辐射，从而寻找超高能射线的踪迹。
2020年3月，HAWC的一个美国和墨西哥联合研究组，在《物理评论快报》（PRL）上发表了他们的最新观测结论[1]。在这篇署名作者近百位的论文中，研究者共观测了来自4个不同源头的宇宙高能γ射线，并对能量范围为10-100TeV的数据进行了分析。很遗憾在所有这些高能射线中，都没有出现LIV的预期证据。

                               
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图中四个不同颜色的曲线表示来自4个不同源头的宇宙高能γ射线分布密度（相应的浅色条带表示不确定度），虚线表示预期高能光子的LIV迹象，它们在实际数据中并没有出现 | 图片来源[1]

看来相对论时空的和谐对称之美，还将继续坚守在物理学中。有可能引力的量子化尺度比我们原本预期的更小，也有可能那些弦理论和量子引力的反对者是对的——引力根本无法量子化。
[1] arXiv:1911.08070v2 [astro-ph.HE]