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爱因斯坦的相对论基于两个假设或公设。第一个假设是，对于所有沿直线无加速度运动的人来说，物理定律看起来都是一样的。
爱因斯坦从荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹那里获得了这个想法，后者在 19 世纪末提出了一种具有这种特性的电动力学理论，并由此产生了“惯性参考系”的概念——屠夫、面包师或蜡烛制造商在真空中以直线相对移动时使用的坐标，这些相对移动的速度可能不同。这种假定的等价性被称为“洛伦兹不变性”。
第二个假设是，在惯性参考系中，任何人测量的光速都是相同的。无论一个人移动的速度有多快或朝哪个方向（在真空中），光都会以“c”的速度接近，即每秒略低于 300,000 公里，如果经过，速度也是一样的。即使面包师相对于屠夫的移动速度为光速的 0.99999%，两人测量的光速都是“c”。（是的，这根本不直观。）
从那时起，物理学家们就一直热衷于检验洛伦兹不变性。迄今为止，这一不变性在所有实验中都严格成立。现在，一个来自中国的团队观察了有史以来最强大的伽马射线爆发，发现它同时发射的光子同时到达他们的望远镜，即使它们的频率不同。
从这一结果来看，量子引力出现的能量下限提高了五倍。他们的研究成果发表在《物理评论快报》杂志上。
近年来，人们对洛伦兹不变性的兴趣日益浓厚，因为一些量子引力理论预测，对于高能光子来说，真空并不是空的，而是一种非空介质。这一预测在量子引力理论中出现时，发生在普朗克尺度附近，约为 1019亿电子伏特，预计时空本身可能需要根据量子力学规则来处理。
即使在如此巨大的能量下，洛伦兹不变性是否仍然成立，或者对于不同的惯性参考系，物理定律是否开始显得不同？
为了验证这一点，中国大型高海拔空气簇射观测站 (LHAASO) 的一个研究小组观察了有史以来观测到的最亮伽马射线暴221009A 的余辉。这起伽马射线暴于 2022 年被发现，持续时间刚过 10 秒，但在探测到后可观测 10 小时，位于距离我们 24 亿光年的遥远星系中，这意味着它的高能伽马射线花了 24 亿年才到达地球。
如果不同频率的光到达地球的时间不同，即它们从地球穿过漫长的真空时的速度不同，就会出现洛伦兹不变性被破坏的情况。这种现象被称为“光子色散”，当光穿过水或玻璃等物质时就会出现这种现象，但到目前为止，这种现象从未在真空中被检测到过。
研究小组使用了 2022 年 10 月 9 日中国四川天文台记录的伽马射线爆发数据，该天文台位于海拔 4,410 米处。轨道上的伽马射线天文台首先被初始的低能光子触发，而 LHAASO 恰好指向正确的方向，测量了爆发的高能光子的“余辉”。
在 221009A 触发后的 100 分钟内，他们的水切伦科夫探测器阵列测量到超过 64,000 个光子，能量高达 7 万亿电子伏特。据估计，在短暂的生命周期内，GRB 释放的能量相当于整个银河系在 5 亿年内释放的能量。
GRB 的峰值强度出现在触发后约四分钟。为了检查是否有违反洛伦兹不变性的迹象，该团队使用了两种方法：测量 10 个伽马射线能量带之间的时间延迟，每个带包含 TeV 级光子，并从数据中提取与能量相关的到达时间延迟。
他们的分析没有发现统计学上显著的洛伦兹不变性违反——不同频率的 GRB 光子没有显著的时间延迟。（根据普朗克关系，频率与能量成正比。）
由于光子色散的缺乏，他们获得了量子引力效应可能出现的能量的两个下限，一个与之前的 GRB 观测中看到的相同，另一个对于低于光速的惯性参考系，将之前的下限提高了五倍。
他们总结道：“未来对伽玛射线暴的超高能量瞬时 [快速] 发射（而非余辉）的观测，将进一步增强使用飞行时间测试对洛伦兹不变性的敏感性。”如果对未来伽玛射线暴的初始阶段进行类似检查，这些限制可能会提高得更高。
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发表于 2024-8-31 20:58:23