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光速不变永远正确吗?能量高达可见光1万亿倍的光子能突破光速吗

    爱因斯坦狭义相对论的核心是洛伦兹不变性,它为所有的物理定律提供了基本的、统一的、不变的参考体系。它告诉我们,无论观察者处于什么位置,也无论观察者是静止的还是快速运动的,所有的物理定律对任意一位观察者都是正确的。以洛伦兹不变性为基础,我们就知道光速在真空中是恒定的。

    不过,再好的理论也需要实践来检验。更何况除了爱因斯坦狭义相对论之外,还有许多其它的量子引力模型,它们提出了不同的观点,认为狭义相对论所描述的行为在极高的能量下可能会被打破。

    有理论认为,假如高能光子的速度超过了光速,或者说违反了洛伦兹不变性,那么这些光子就突破了狭义相对论的范畴。一旦突破光速,光子就会衰变,可能衰变成几个低能光子,或者衰变成正电子和电子。为了解决不同理论之间的分歧,探寻世界的真相,物理学家想要通过实验来研究,在光子能量极高的情况下,洛伦兹不变性还适用吗?光速还是恒定的吗?

    科学家曾经用人造的高能粒子加速器产生高能量的光子,测量这些光子在真空中的速度,发现无论光子的能量有多高,光速仍然是恒定的,洛伦兹不变性依然是有效的。

    在试验了人类能力范围内制造的高能量光子之后,科学家开始到宇宙中寻求更高能量的光子,来检验洛伦兹不变性。宇宙中一些天体是天然的高能伽马射线源,能量远远超过人造光的极限。科学家一直梦想可以在天文距离的尺度下给洛伦兹不变性来一场更严格的检验。

    科学家在墨西哥的一座高海拔的山顶上建造了一座特别的天文台——切伦科夫(HAWC)天文台。它的探测单元占地约150米见方,布置了300个大型的水箱,每个水箱里都设置了灵敏度极高的探测器,它们可以探测来自外太空的高能伽马射线与大气层的作用。宇宙中的伽马射线能量极高,有些可以达到可见光的1万亿倍(10 TeV)甚至10万亿倍(100TeV)以上,这样的高能射线就可以被HAWC探测到。

    HAWC研究了银河系里4个能量高于100 TeV的伽马射线源发出的光子流,认为这些光在传播到地球的途中没有任何异常的行为,证实这些高能光子依然遵循洛伦兹不变性。这项研究结果发表在近期的《物理评论快报》上。

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