墨西哥火山的极端实验,检验爱因斯坦理论局

墨西哥一座死火山顶部附近的一项实验的最新测量结果，对光是否能超过宇宙中众所周知的最高速度提出了严格的新约束。

物理学家们精心设计的理论能够很好地解释宇宙的大部分情况，但当涉及到许多极端情况时，这些理论就失败了，比如物质是如何在黑洞表面或大爆炸之后相互作用的。检验爱因斯坦理论的局限性，以便发展一个更广泛的理论，将这些极端结合起来，已经成为一个完整的物理学领域。但是随着每一次测试，现代物理学理论都无法屈服。一个新的实验也许是他们迄今为止最大的挑战。

“我的直觉反应是，我很惊讶，”帕特·哈丁，研究的作者之一，洛斯阿拉莫斯国家实验室的天体物理学家告诉我们。这项新的研究将爱因斯坦著名理论的范围扩展到了地球或太空中无法直接获得的能量。

一些物理学家试图用一些想法（例如弦理论）来解释宇宙的奥秘，这些想法与公认的理论产生了微小的偏差。这些偏差只出现在极端情况下，如超高能粒子。物理学家们在这里寻找这样一个偏差，看看宇宙是否违背了一个被称为洛伦兹不变性（Lorentz不变性）的公认特征，即能量充足的光子。洛伦兹不变性说，对于每个静止（不管他们在空间中的方位如何）或恒定运动（用数学公式在静止和移动的框架之间转换）的人来说，物理定律都是一样的。这种对称性的一个结果是，在真空中，一个轻粒子的速度恒定值，略低于每秒3亿米。

违反洛伦兹不变性可能会导致超高能光比这一最高速度传播得更快或更慢，而且这种违反可能会产生可观察到的影响。这些粒子也会衰变或分裂，无法到达地球。这似乎是在足够高的能量下击中实验的光子数量的下降。因此，墨西哥高海拔水切伦科夫（HAWC）天文台的物理学家们开始寻找这个信号。

HAWC由数百个大型水箱组成，这些水箱坐落在墨西哥塞拉尼格拉火山的顶部附近。你可以从我们的访问中学到更多关于HAWC的知识，但基本上，高能粒子与大气相互作用，形成一个粒子阵雨，当它们与水相互作用时，会引起小的闪光。光电倍增管将这些闪光转变成一个信号，科学家可以根据它们产生信号的大桶，重建是什么粒子引起了闪光。

结合更好的计算入射光子能量的方法，数据很清楚：没有下降。HAWC继续看到来自天体物理源的光子，其能量高达tev，比地球上最强大的粒子物理实验大型强子对撞机的粒子束高出40多倍。这些伽马射线的存在排除了这些高能光子比光速传播更快的可能性。根据圣保罗大学的物理学家温贝托·马丁内斯·韦尔塔（HumbertomartinezHuerta）所说，通过数学工作，这也增加了洛伦兹不变性破坏理论存在的最小可能能量规模的一百倍。

基本上，即使是令人难以置信的高能光粒子仍然以光速运动，我们知道这是因为地球上的一个实验可以测量它们。根据发表在《物理评论快报》上的论文，这一观察结果限制了物理学家在试图解决他们的突出问题时，可以对他们目前的理论进行何种扩展。

但马丁内斯·韦尔塔解释说，这种观察并没有约束爱因斯坦理论的每一种延伸。也许对洛伦兹不变性的违背会出现在其他粒子中，或者可能会导致一些光子的传播速度慢于光速。

一位没有参与这项研究的物理学家，印第安纳大学的拉尔夫·莱纳特告诉我们，这项工作是扎实的。他重申，这只是测量洛伦兹不变性违反的一种方法。但是，他说，这项研究增加了数十项寻找此类违法行为证据的其他测试，但都没有找到任何证据。

科学家们计划扩大搜索范围，因为HAWC的科学家们增加了更多的桶水，增加了实验的灵敏度。但是，爱因斯坦的相对论再一次拒绝让步，即使是在最极端的情况下。

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