@ 2020.04.07 , 10:00

高能光子的速度也是恒定的

物理學家們測量了光在最高能級尺度下的速度,發現無論是宇宙中的任何地方,甚至是從超新星等源頭噴出的伽馬射線,光的傳播速度都仍然是恒定的。

這意味著,即使在最高能級尺度下,愛因斯坦狹義相對論論的支柱仍堅如磐石。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的天體物理學家帕特·哈丁(Pat Harding)說:“實驗結果不僅僅是再次確認了相對論的正確性,同時也具有指導性。大多數量子引力模型都指出,在非常高的能級下,相對論會失效。但現在經過我們對高能光子的觀察,把有可能導致相對論失效的能級標準至少又提升了一百倍。”

洛倫茲不變性是狹義相對論的基本原理。它表示,無論您在宇宙中的哪個位置,包括光速在內的物理定律都保持一致。

但是,有一些理論表明,當能量極大的時候,可能會違反洛倫茲不變性。

如果發生這種情況,我們就需要新的物理定律。

如果洛倫茲不變性在高能時崩潰,則高能現象應表現出與相對論不一致的意外行為——例如,光可能以不同的速度傳播;反之,則不然。

這就是伽馬射線的價值所在。它們是電磁光譜中波長最短,能量最高的光子,產生于原子核的放射性衰變。

換句話說,它們來自于超新星,中子星,恒星耀斑以及黑洞周圍的區域,是非常極端的空間現象。

如果要在違反洛倫茲不變性的情況下加快伽馬射線的速度,那么伽馬射線光子將在到達地球之前衰變為低能粒子。

那些能量較低的粒子可能會到達地球,也可能永遠不會到達,但無論如何,它們都不再是伽馬射線。

現在,高空切倫科夫水箱式天文臺(HAWC)——目前海拔最高的伽馬射線探測器,設計用于探測最高能量的伽馬射線——可以檢測到從1000億到100萬億電子伏特的電磁波。大約是可見光能量的1000億到100萬億倍。

HAWC天文臺的核心是切倫科夫探測器。由一系列裝滿水的水箱組成,并帶有檢測光子的光電倍增管。當伽馬射線撞擊高層大氣時,由于與大氣分子的相互作用而損失了能量,從而形成了級聯的光速粒子陣雨。當它們高速沖入水中時,傳播速度要比光在水中的傳播速度更快,這是因為水介質會使光的速度減慢一點。

這會產生“光爆”(相當于超音速的聲爆),產生紫外線。這種輻射被稱為切倫科夫輻射,這就是光電倍增管接收到的光子。

伽瑪射線的能量越高,產生的粒子陣雨越密集。這就是物理學家區分伽馬射線能量的方式。

通過這種方法,HAWC天文臺最近檢測到了許多能量高于100 TeV的伽馬射線。這一事實支持著洛倫茲不變性——意味著高能光子的行進速度不會比真空中的光速更快。

實際上,沒有顯示出違背洛倫茲不變性的任何跡象。

當然,這并不意味著洛倫茲不變性在任何能級下都成立,而是說,至少在我們可檢測的極限內,它始終成立。

哈丁說:“從天文距離探測更高能量的伽瑪射線使我們可以更加嚴格地審查相對論。隨著HAWC在未來幾年中繼續獲取更多數據,并推動Los Alamos改進探測器和分析技術,提高對能級檢測的上限,我們將能夠進一步擴展現有的物理學。”

該研究已發表在《物理評論快報》上。

本文譯自 sciencealert,由譯者 majer 基于創作共用協議(BY-NC)發布。


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