《PRD》重磅：前所未有的精度檢驗光速的恒定性

你學過的所有物理知識都基于一個堅不可摧的原則：洛倫茲不變性。簡單來說，它保證了無論你在宇宙中以多快的速度、沿著哪個方向移動，光速c都是一個恒定的、不可超越的宇宙速度極限。這是愛因斯坦相對論的基石，也是我們理解宇宙結構的基礎。但是，在物理學的最前沿——量子引力的領域，情況開始變得有趣。

為了將描述宏觀宇宙的廣義相對論與描述微觀世界的量子力學統一起來，物理學家們提出了各種量子引力理論（如弦理論、圈量子引力）。許多這些理論暗示：在極小的尺度（所謂的普朗克尺度，10^{-35}米）上，時空可能不是平滑的，而是像“時空泡沫”一樣離散或粗糙。

如果時空結構在微觀上有所不同，那么光速c可能就不是絕對不變的了！這種微小的偏差，我們稱之為洛倫茲不變性破壞 (LIV)。

LIV 的信號：光子也有“時差”？

如果洛倫茲不變性被破壞，會產生一個非常驚人的后果：光速將不再恒定，而是取決于光子的能量！

你可以想象一下，宇宙真空本身就像一種特殊的、對能量敏感的介質。高能量的光子（比如伽馬射線）和低能量的光子（比如可見光），在穿過這種“時空泡沫”時，會受到不同的影響，導致它們的速度略微不同。

為了捕捉這種微小的速度差異，我們需要一個完美的“宇宙實驗室”：

• 極遠的距離：距離越遠，哪怕是極小的速度差異，也會積累成可測量的時間差。
• 高能光子：能量差異越大，效果越明顯。

這正是天體物理學家關注伽馬射線暴 (GRBs) 和耀發活動星系核 (AGN Flares) 的原因。這些宇宙中最劇烈的爆炸事件，距離我們數十億光年，它們在瞬間釋放出巨大的能量，并向我們發射各種能量的光子。

如果LIV存在，同時從遙遠星系發出的高能光子和低能光子在經過漫長的旅途后，到達地球的時間就會有時間延遲 (Δt)。通過測量這個Δt，我們就可以對 LIV 效應的強度施加限制。

論文的挑戰：各向異性

傳統的測量方法通常將 LIV 效應歸結為一個唯象參數：有效量子引力能標 EQG。這個能標代表了 LIV 效應開始顯著出現的能量。天文學家通過觀測，已經將EQG的下限推得非常高，超過了普朗克能標。

但發表在PRD題為《Bounding anisotropic Lorentz invariance violation from measurements of the effective energy scale of quantum gravity》的論文提出了更深入的問題：這種破壞是各向同性的，還是各向異性的？

• 各向同性：LIV 效應與光子飛行的方向無關，只與能量有關。
• 各向異性：LIV 效應不僅與能量有關，還與光子飛行的具體方向有關。比如，沿著宇宙的“北軸”飛行的光子，速度可能比沿著“赤道平面”飛行的光子慢一點。

許多量子引力理論預測，LIV 效應更可能是各向異性的，因為時空中的“泡沫”或背景場可能有特定的方向性。

理論的橋梁：標準模型延伸

為了精確描述這種方向性，論文沒有止步于EQG這一通用參數，而是引入了標準模型延伸 (SME) 框架。SME 是一個強大的理論工具，它通過一系列張量系數（想象成描述時空背景的微小偏差的數值）來系統地量化各種形式的 LIV 效應。

論文的核心貢獻就在于此：建立了一個“翻譯機”。它將天文學家從 GRBs 觀測中得到的通用EQG 約束，精確地轉換并解耦成對 SME 框架中描述各向異性的特定系數的約束。

結論：更精確的宇宙羅盤

通過這種嚴格的數學轉換和對現有觀測數據的標準化處理，研究人員得出了比以往任何時候都更嚴格的結果。他們對描述光子扇區中各向異性 LIV 的單個 SME 系數的約束，相較于其他實驗（如地球上的精密實驗），提高了約一個數量級。

這意味著什么？我們現在可以更精確地排除某些量子引力理論模型。如果一個 QG 模型預測了某種強度的各向異性 LIV，而我們的觀測已經排除了它，那么這個模型就需要被修正甚至放棄。

這篇論文的科學價值在于，它為尋找量子引力的“微小裂縫”提供了更鋒利的工具。它將遙遠宇宙中最劇烈事件發出的光，轉化成了約束我們宇宙基本定律的精確數字。每一次對光速恒定性的更嚴格限制，都推動我們更接近于發現支配宇宙的最終理論。也許有一天，通過對來自遙遠星光的持續分析，我們終將捕捉到那極其微小的、指向量子引力的新物理學信號。