基于LHAASO的观测，爱因斯坦的相对论通过了严格的检验

诸平

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据中国科学院（Chinese Academy of Sciences）刘佳（Liu Jia）2022年2月15日通过物理学家组织网（Phys.org）报道，“基于LHAASO的观测，爱因斯坦的相对论通过了严格的检验（Einstein's relativity theory passes strict test based on LHAASO observation）”，已经被分享近1250次。

中国科学院高能物理研究所（Institute of High Energy Physics of the Chinese Academy of Sciences）的研究员，研究相对论的有效性最高的精度研究名为“探索洛伦兹不变性违反: 通过LHAASO观察到超强能量γ射线（Exploring Lorentz Invariance Violation from Ultrahigh-Energy γ Rays Observed by LHAASO）”,这研究结果于2022年2月3日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）网站发表——Zhen Cao, F. Aharonian, Q. An, Axikegu, L. X. Bai, Y. X. Bai, Y. W. Bao, D. Bastieri, X. J. Bi, Y. J. Bi, H. Cai, J. T. Cai, Zhe Cao, J. Chang, J. F. Chang, B. M. Chen, E. S. Chen, J. Chen, Liang Chen, Liang Chen, Long Chen, M. J. Chen, M. L. Chen, Q. H. Chen, S. H. Chen, S. Z. Chen, T. L. Chen, X. L. Chen, Y. Chen, N. Cheng, Y. D. Cheng, S. W. Cui, X. H. Cui, Y. D. Cui, B. D’Ettorre Piazzoli, B. Z. Dai, H. L. Dai, Z. G. Dai, Danzengluobu, D. della Volpe, X. J. Dong, K. K. Duan, J. H. Fan, Y. Z. Fan, Z. X. Fan, J. Fang, K. Fang, C. F. Feng, L. Feng, S. H. Feng, Y. L. Feng, B. Gao, C. D. Gao, L. Q. Gao, Q. Gao, W. Gao, M. M. Ge, L. S. Geng, G. H. Gong, Q. B. Gou, M. H. Gu, F. L. Guo, J. G. Guo, X. L. Guo, Y. Q. Guo, Y. Y. Guo, Y. A. Han, H. H. He, H. N. He, J. C. He, S. L. He, X. B. He, Y. He, M. Heller, Y. K. Hor, C. Hou, X. Hou, H. B. Hu, S. Hu, S. C. Hu, X. J. Hu, D. H. Huang, Q. L. Huang, W. H. Huang, X. T. Huang, X. Y. Huang, Z. C. Huang, F. Ji, X. L. Ji, H. Y. Jia, K. Jiang, Z. J. Jiang, C. Jin, T. Ke, D. Kuleshov, K. Levochkin, B. B. Li, Cheng Li, Cong Li, F. Li, H. B. Li, H. C. Li, H. Y. Li, Jian Li, Jie Li, K. Li, W. L. Li, X. R. Li, Xin Li, Xin Li, Y. Li, Y. Z. Li, Zhe Li, Zhuo Li, E. W. Liang, Y. F. Liang, S. J. Lin, B. Liu, C. Liu, D. Liu, H. Liu, H. D. Liu, J. Liu, J. L. Liu, J. S. Liu, J. Y. Liu, M. Y. Liu, R. Y. Liu, S. M. Liu, W. Liu, Y. Liu, Y. N. Liu, Z. X. Liu, W. J. Long, R. Lu, H. K. Lv, B. Q. Ma, L. L. Ma, X. H. Ma, J. R. Mao, A. Masood, Z. Min, W. Mitthumsiri, T. Montaruli, Y. C. Nan, B. Y. Pang, P. Pattarakijwanich, Z. Y. Pei, M. Y. Qi, Y. Q. Qi, B. Q. Qiao, J. J. Qin, D. Ruffolo, V. Rulev, A. Sáiz, L. Shao, O. Shchegolev, X. D. Sheng, J. R. Shi, H. C. Song, Yu. V. Stenkin, V. Stepanov, Y. Su, Q. N. Sun, X. N. Sun, Z. B. Sun, P. H. T. Tam, Z. B. Tang, W. W. Tian, B. D. Wang, C. Wang, H. Wang, H. G. Wang, J. C. Wang, J. S. Wang, L. P. Wang, L. Y. Wang, R. N. Wang, W. Wang, W. Wang, X. G. Wang, X. J. Wang, X. Y. Wang, Y. Wang, Y. D. Wang, Y. J. Wang, Y. P. Wang, Z. H. Wang, Z. X. Wang, Zhen Wang, Zheng Wang, D. M. Wei, J. J. Wei, Y. J. Wei, T. Wen, C. Y. Wu, H. R. Wu, S. Wu, W. X. Wu, X. F. Wu, S. Q. Xi, J. Xia, J. J. Xia, G. M. Xiang, D. X. Xiao, G. Xiao, H. B. Xiao, G. G. Xin, Y. L. Xin, Y. Xing, D. L. Xu, R. X. Xu, L. Xue, D. H. Yan, J. Z. Yan, C. W. Yang, F. F. Yang, J. Y. Yang, L. L. Yang, M. J. Yang, R. Z. Yang, S. B. Yang, Y. H. Yao, Z. G. Yao, Y. M. Ye, L. Q. Yin, N. Yin, X. H. You, Z. Y. You, Y. H. Yu, Q. Yuan, H. D. Zeng, T. X. Zeng, W. Zeng, Z. K. Zeng, M. Zha, X. X. Zhai, B. B. Zhang, H. M. Zhang, H. Y. Zhang, J. L. Zhang, J. W. Zhang, L. X. Zhang, Li Zhang, Lu Zhang, P. F. Zhang, P. P. Zhang, R. Zhang, S. R. Zhang, S. S. Zhang, X. Zhang, X. P. Zhang, Y. F. Zhang, Y. L. Zhang, Yi Zhang, Yong Zhang, B. Zhao, J. Zhao, L. Zhao, L. Z. Zhao, S. P. Zhao, F. Zheng, Y. Zheng, B. Zhou, H. Zhou, J. N. Zhou, P. Zhou, R. Zhou, X. X. Zhou, C. G. Zhu, F. R. Zhu, H. Zhu, K. J. Zhu, X. Zuo (LHAASO Collaboration). Exploring Lorentz Invariance Violation from Ultrahigh-Energy γ Rays Observed by LHAASO. Physical Review Letters, 2022, 128（5）: 051102 – Published 3 February 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.051102. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.051102

参与此项研究的不仅有中国的研究人员，也有来自爱尔兰（Ireland）、德国（Germany）、意大利（Italy）、瑞士（Switzerland）、俄罗斯（Russia）以及泰国（Thailand）的研究人员。涉及的单位包括中国科学院高能物理研究所（Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences）、中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）、四川成都的天府宇宙线研究中心（TIANFU Cosmic Ray Research Center, Chengdu）、北京粒子探测与电子学国家重点实验室（State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing）、中国科技大学（University of Science and Technology of China）、西南交通大学（Southwest Jiaotong University, Chengdu）、四川大学（Sichuan University）、南京大学（Nanjing University）、广州大学（Guangzhou University）、武汉大学（Wuhan University）、中国科学院紫金山天文台（Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences）、河北师范大学（Hebei Normal University）、中国科学院上海天文台（Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences）、西藏大学宇宙射线教育部重点实验室[Key Laboratory of Cosmic Rays (Tibet University), Ministry of Education]、中国科学院国家天文台（National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences）、中山大学（Sun Yat-sen University）、云南大学（Yunnan University）、山东大学（Shandong University）、清华大学（Tsinghua University）、郑州大学（Zhengzhou University）中国科学院云南天文台（Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences）、北京大学（Peking University）、广西大学（Guangxi University）、上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University）、中国科学院国家空间科学中心（National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences）；爱尔兰都柏林高等研究学院（Dublin Institute for Advanced Studies, Ireland）、德国马普核物理研究所（Max-Planck-Institut for Nuclear Physics, Germany）、意大利蒙特·圣·安杰洛大学（Complesso Universitario di Monte Sant’Angelo, Italy）、瑞士日内瓦大学（Université de Genève, Switzerland）、俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）、莫斯科物理与技术学院（Moscow Institute of Physics and Technology, Russia）以及泰国玛希隆大学（Mahidol University, Thailand）等30多家单位。

根据爱因斯坦的相对论（Einstein's theory of relativity），宇宙中物质的最快速度是光速。这个极限是否可破可以通过检验洛伦兹对称破裂（Lorentz symmetry breaking）或洛伦兹不变性违反（Lorentz invariance violation）来检验。

中科院高能物理研究所的科学家、LHAASO合作项目的成员、上述论文的共同通讯作者之一毕效军（Bi Xiaojun）教授说：“利用大型高海拔空气簇射观测台(Large High Altitude Air-shower Observatory简称LHAASO)观测到的世界上能量最高的γ射线，我们测试了洛伦兹对称性。这是在中国四川省稻城（Daocheng, Sichuan Province, China）进行的一项大型宇宙射线实验。与之前的最佳结果相比，该结果使洛伦兹对称的破能尺度提高了几十倍。这是对洛伦兹对称破缺形式最严格的检验，再次证实了爱因斯坦相对论时空对称的有效性。”

洛伦兹对称性和相对论之间的关系是什么?

爱因斯坦的相对论是现代物理学的基石，它要求物理定律具有洛伦兹对称性。自爱因斯坦提出相对论以来的100多年里，洛伦兹对称性的有效性经历了无数的实验检验。

然而，描述引力的广义相对论和描述微观世界定律的量子力学之间存在着不可调和的矛盾。为了统一广义相对论和量子力学，理论物理学家做出了不懈的努力，发展了弦论（string theory）、环圈量子引力理论（loop quantum gravity theory）等理论。这些理论预测洛伦兹对称性很可能在高能量时被打破，这意味着相对论可能需要在高能量时被修改。

因此，寻找洛伦兹对称破缺的信号对检验相对论和发展更基本的物理定律至关重要。然而，根据这些理论，洛伦兹对称破缺效应仅在所谓的普朗克能量尺度(Planck energy scale)上才显著，普朗克能量尺度高达10¹⁹ GeV (1 GeV = 10⁹ eV)。

由于人工加速器只能达到大约10⁴ GeV，洛伦兹对称破缺的效应太弱，无法在实验室中测试。但是在宇宙中有非常剧烈的天体物理过程，粒子可以被加速到比人造加速器能达到的更高的能量。因此，天体物理观测是寻找洛伦兹对称破缺效应的天然实验室。

LHAASO是中国大规模的宇宙射线实验。在2021年的建造过程中，LHAASO记录了世界上最高能量的γ射线事件，其能量高达1.4 PeV (1 PeV = 10¹⁵ eV)。在创造世界纪录的同时，它也为探索洛伦兹对称性等物理学基本定律提供了宝贵的机会。

洛伦兹对称破缺可能导致高能光子变得不稳定，迅速衰变成一个电子-正电子对(electron-positron pair)或三个光子(three photons)。“换句话说，如果洛伦兹对称被打破，高能光子在飞往地球的旅途中就会自动消失，这意味着我们测量到的能谱应该在一个特定的能量上被截断，”毕效军教授说。

来自LHAASO的数据显示，当前的γ射线光谱继续保持在PeV以上的高能量，并且没有发现任何高能γ射线事件的“神秘”消失。这一结果表明，当接近普朗克能量尺度时，洛伦兹对称性仍然保持不变。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

LHAASO最新实验验证爱因斯坦相对论时空对称的正确性

高海拔水切伦科夫天文台测试光速(High Altitude Water Cherenkov observatory tests speed of light)

Abstract

Recently, the LHAASO Collaboration published the detection of 12 ultrahigh-energy γ-ray sources above 100 TeV, with the highest energy photon reaching 1.4 PeV. The first detection of PeV γ rays from astrophysical sources may provide a very sensitive probe of the effect of the Lorentz invariance violation (LIV), which results in decay of high-energy γ rays in the superluminal scenario and hence a sharp cutoff of the energy spectrum. Two highest energy sources are studied in this work. No signature of the existence of the LIV is found in their energy spectra, and the lower limits on the LIV energy scale are derived. Our results show that the first-order LIV energy scale should be higher than about 10⁵ times the Planck scale M_Pl and that the second-order LIV scale is >10⁻³ M_Pl. Both limits improve by at least one order of magnitude the previous results.

为了便于阅读，特将高能物理研究所的相关报道摘引于下，仅供参考。

LHAASO最新实验验证爱因斯坦相对论时空对称的正确性

2022-02-10|文章来源：粒子天体物理中心

       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？这个问题可以通过洛伦兹对称性的破缺来检验。最近，位于我国四川稻城的高海拔宇宙线实验LHAASO合作组利用其观测的高能伽马射线事例对洛伦兹对称性进行了检验。实验结果将洛伦兹对称性的破缺能量标度提高了大约10倍，这是当前对这一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。

　　来自中国科学院高能物理研究所的毕效军研究员和中国科学院紫金山天文台的张毅研究员、袁强研究员合作，带领博士研究生高林青、陈恩生、赵世平等对我国LHAASO实验观测的高能伽马射线数据进行了分析，观测结果再次验证了洛伦兹对称性。

　　洛伦兹对称性和相对论有何关系？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经历了无数的实验检验。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。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的努力，提出了弦论、圈量子引力理论等不同的理论。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。因而，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”。

　　然而，根据这些理论的推断，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10¹⁹GeV！对于人工加速器只能达到大约10⁴GeV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。但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能量的粒子，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。因而天体物理观测就成为寻找洛伦兹对称性破坏的天然实验室。

　　位于我国四川稻城的高海拔大型宇宙线实验LHAASO是我国自主设计建造运行的宇宙线观测实验，2021年建设还没有完成就探测到目前人类已知最高能量的伽马射线光子，能量达到1.4拍电子伏，刷新这项记录的同时，也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。

　　在LHAASO观测中，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。换句话说，高能量的光子在飞往地球的旅程中就自动消失了！对于我们在地球上的观测者来说，即使天体源已经发出了能量更高的光子，我们测量到这个天体的光子能谱也在这个特定的能量就忽然截断了。而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的，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。

　　这一研究成果发表在最新一期的《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett.）上，题为“Exploring the Lorentz Invariance Violation from Ultra-high-energy Gamma Rays Observed by LHAASO”。