检验宇宙的速度极限

在物理学中，洛伦兹不变性指的是物理定律对所有的观察者来说都是一样的，无论这些观察者位处何处，也不管他们移动的速度有多快。

洛伦兹不变性是爱因斯坦的狭义相对论的核心，它告诉我们，光速在真空中总是以恒定的速度传播。物理学家会通过精确测量能量极高的光子来检验这一不变性。但在迄今为止的所有测量中，这个数值都是恒定的，即使是在使用粒子加速器产生的最高能量水平下进行的测量都是如此。

尽管如此，科学家一直都在设法探索其有效性的极限。最近，一项新的研究更进一步地提高了光子的能量水平，结果发现光速仍然维持不变。研究人员将这一发现发表在了近期的《物理评论快报》上。

对远距离天体物理源释放出的高能射线——比如高能伽马射线进行观测，是检验洛伦兹不变性的一种有效方法。因为如果这些极高能光子的传播速度超过了光速（也就说违反了洛伦兹不变性），那么理论上，光子是会衰变的（比如光子可以衰变成电子和正电子，或者衰变成多个光子）。伽马射线具有极高的能量，从天文距离探测高能伽马射线将能使相对论得到更为严格的检验。

研究小组分析了高海拔切伦科夫（HAWC）天文台所收集的数据。HAWC位于墨西哥的一座火山的山肩上，它由300个水箱组成，覆盖了地面22000平方米的面积。水箱内配有灵敏的探测器，它是目前能量在10 TeV以上运行的最灵敏的伽马射线探测仪器之一，可以测量高能伽马射线撞击地球大气分子时产生的粒子级联。

○ 由300个水箱构成的高海拔切伦科夫（HAWC）天文台。图片中的箭头表示的是银河系内的四个能量超过100TeV的伽马射线源。| 图片来源：HAWC

在新的研究中，HAWC探测到了至少来自四个不同天体所发出的能量超过100 TeV（约可见光能量的1万亿倍）的光子流，这一能量远远高于地球上任何粒子加速器所能提供的能量。

这是一项重大发现，它表明即使是那些超高能量的光子的速度也不会超过宇宙的速度极限。因为假如能以超光速移动，那么光子就会衰变为能量更低的粒子，而这一过程会在数厘米甚至更短的距离上发生，从而导致这些来自遥远天体源的光子根本无法到达地球上的水箱探测器。

许多量子引力模型都表明，相对论的行为将在极高的能量下会被打破。而新的研究通过对这些高能光子的观测，将相对论仍然有效的能量尺度提高了100倍以上；换言之，它将洛伦兹不变性的有效范围扩大了100倍以上。

未来，HAWC所探测的数据或许还将进一步突破这一极限，为狭义相对论提供更严格的测试。