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【中国青年报】爱因斯坦又对了!中国大科学装置验证相对论时空对称理论
2022-02-11|文章来源:中国青年报 |【
 

  中国青年报客户端北京2月11日电(中青报·中青网记者 邱晨辉)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?来自中国的大科学装置给出了最新实验结果。

  记者今天从中国科学院高能物理研究所了解到,该所负责建设和运行管理大科学装置——位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站(LHAASO),其合作组科研人员最新利用LHAASO观测的高能伽马射线事例对洛伦兹对称性进行检验,该实验结果将洛伦兹对称性的破缺能量标度提高约10倍,这是迄今对此类洛伦兹对称性的最严格检验,也再次验证了爱因斯坦相对论时空对称的正确性。

  这一重要研究由中科院高能所研究员毕效军和中科院紫金山天文台研究员张毅、袁强合作,带领博士研究生高林青、陈恩生、赵世平等共同完成,成果论文在最新一期国际学术期刊《物理评论快报》发表。

 

高海拔宇宙线观测站鸟瞰图。中科院高能所供图

  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。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已经历无数的实验检验。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。

  毕效军介绍,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努力,提出弦论、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一个“突破口”。

  根据理论推断,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10的19次方GeV,对于人工加速器只能达到约10的4次方GeV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,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而变得更容易探测,天体物理观测因而就成为寻找洛伦兹对称性破坏的天然实验室。

  作为我国自主设计建造运行的高海拔大型宇宙线观测实验装置,LHAASO在2021年建设还没有完成时就探测到目前人类已知最高能量的伽马射线光子,其能量达到1.4拍(1拍=1000万亿)电子伏,来自遥远的天鹅座,从而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。

  毕效军告诉记者,洛伦兹对称性破坏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。合作组研究分析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,并没有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然是正确的。

  “这一最新观测结果再次验证了洛伦兹对称性,从而验证爱因斯坦相对论时空对称的正确性。”毕效军说。

 


 
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