《PRD》重磅：前所未有的精度檢驗(yàn)光速的恒定性

你學(xué)過的所有物理知識(shí)都基于一個(gè)堅(jiān)不可摧的原則：洛倫茲不變性。簡(jiǎn)單來說，它保證了無論你在宇宙中以多快的速度、沿著哪個(gè)方向移動(dòng)，光速c都是一個(gè)恒定的、不可超越的宇宙速度極限。這是愛因斯坦相對(duì)論的基石，也是我們理解宇宙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。但是，在物理學(xué)的最前沿——量子引力的領(lǐng)域，情況開始變得有趣。

為了將描述宏觀宇宙的廣義相對(duì)論與描述微觀世界的量子力學(xué)統(tǒng)一起來，物理學(xué)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(shí)空可能不是平滑的，而是像“時(shí)空泡沫”一樣離散或粗糙。

如果時(shí)空結(jié)構(gòu)在微觀上有所不同，那么光速c可能就不是絕對(duì)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(hào)：光子也有“時(shí)差”？

如果洛倫茲不變性被破壞，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(duì)能量敏感的介質(zhì)。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(shí)空泡沫”時(shí)，會(huì)受到不同的影響，導(dǎo)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(gè)完美的“宇宙實(shí)驗(yàn)室”：

• 極遠(yuǎn)的距離：距離越遠(yuǎn)，哪怕是極小的速度差異，也會(huì)積累成可測(cè)量的時(shí)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(xué)家關(guān)注伽馬射線暴 (GRBs) 和耀發(fā)活動(dòng)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(shù)十億光年，它們?cè)谒查g釋放出巨大的能量，并向我們發(fā)射各種能量的光子。

如果LIV存在，同時(shí)從遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的高能光子和低能光子在經(jīng)過漫長(zhǎng)的旅途后，到達(dá)地球的時(shí)間就會(huì)有時(shí)間延遲 (Δt)。通過測(cè)量這個(gè)Δt，我們就可以對(duì) LIV 效應(yīng)的強(qiáng)度施加限制。

論文的挑戰(zhàn)：各向異性

傳統(tǒng)的測(cè)量方法通常將 LIV 效應(yīng)歸結(jié)為一個(gè)唯象參數(shù)：有效量子引力能標(biāo) EQG。這個(gè)能標(biāo)代表了 LIV 效應(yīng)開始顯著出現(xiàn)的能量。天文學(xué)家通過觀測(cè)，已經(jīng)將EQG的下限推得非常高，超過了普朗克能標(biāo)。

但發(fā)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(yīng)與光子飛行的方向無關(guān)，只與能量有關(guān)。
• 各向異性：LIV 效應(yīng)不僅與能量有關(guān)，還與光子飛行的具體方向有關(guān)。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(diǎn)。

許多量子引力理論預(yù)測(cè)，LIV 效應(yīng)更可能是各向異性的，因?yàn)闀r(shí)空中的“泡沫”或背景場(chǎng)可能有特定的方向性。

理論的橋梁：標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，而是引入了標(biāo)準(zhǔn)模型延伸 (SME) 框架。SME 是一個(gè)強(qiáng)大的理論工具，它通過一系列張量系數(shù)（想象成描述時(shí)空背景的微小偏差的數(shù)值）來系統(tǒng)地量化各種形式的 LIV 效應(yīng)。

論文的核心貢獻(xiàn)就在于此：建立了一個(gè)“翻譯機(jī)”。它將天文學(xué)家從 GRBs 觀測(cè)中得到的通用EQG 約束，精確地轉(zhuǎn)換并解耦成對(duì) SME 框架中描述各向異性的特定系數(shù)的約束。

結(jié)論：更精確的宇宙羅盤

通過這種嚴(yán)格的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換和對(duì)現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，研究人員得出了比以往任何時(shí)候都更嚴(yán)格的結(jié)果。他們對(duì)描述光子扇區(qū)中各向異性 LIV 的單個(gè) SME 系數(shù)的約束，相較于其他實(shí)驗(yàn)（如地球上的精密實(shí)驗(yàn)），提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

這意味著什么？我們現(xiàn)在可以更精確地排除某些量子引力理論模型。如果一個(gè) QG 模型預(yù)測(cè)了某種強(qiáng)度的各向異性 LIV，而我們的觀測(cè)已經(jīng)排除了它，那么這個(gè)模型就需要被修正甚至放棄。

這篇論文的科學(xué)價(jià)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(yuǎn)宇宙中最劇烈事件發(fā)出的光，轉(zhuǎn)化成了約束我們宇宙基本定律的精確數(shù)字。每一次對(duì)光速恒定性的更嚴(yán)格限制，都推動(dòng)我們更接近于發(fā)現(xiàn)支配宇宙的最終理論。也許有一天，通過對(duì)來自遙遠(yuǎn)星光的持續(xù)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(xué)信號(hào)。