高能光子的速度也是恒定的

涨知识 老郝 来源:sciencealert 145浏览 0评论

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物理学家们测量了光在最高能级尺度下的速度,发现无论是宇宙中的任何地方,甚至是从超新星等源头喷出的伽马射线,光的传播速度都仍然是恒定的。

这意味着,即使在最高能级尺度下,爱因斯坦狭义相对论论的支柱仍坚如磐石。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的天体物理学家帕特·哈丁(Pat Harding)说:“实验结果不仅仅是再次确认了相对论的正确性,同时也具有指导性。大多数量子引力模型都指出,在非常高的能级下,相对论会失效。但现在经过我们对高能光子的观察,把有可能导致相对论失效的能级标准至少又提升了一百倍。”

洛伦兹不变性是狭义相对论的基本原理。它表示,无论您在宇宙中的哪个位置,包括光速在内的物理定律都保持一致。

但是,有一些理论表明,当能量极大的时候,可能会违反洛伦兹不变性。

如果发生这种情况,我们就需要新的物理定律。

如果洛伦兹不变性在高能时崩溃,则高能现象应表现出与相对论不一致的意外行为——例如,光可能以不同的速度传播;反之,则不然。

这就是伽马射线的价值所在。它们是电磁光谱中波长最短,能量最高的光子,产生于原子核的放射性衰变。

换句话说,它们来自于超新星,中子星,恒星耀斑以及黑洞周围的区域,是非常极端的空间现象。

如果要在违反洛伦兹不变性的情况下加快伽马射线的速度,那么伽马射线光子将在到达地球之前衰变为低能粒子。

那些能量较低的粒子可能会到达地球,也可能永远不会到达,但无论如何,它们都不再是伽马射线。

现在,高空切伦科夫水箱式天文台(HAWC)——目前海拔最高的伽马射线探测器,设计用于探测最高能量的伽马射线——可以检测到从1000亿到100万亿电子伏特的电磁波。大约是可见光能量的1000亿到100万亿倍。

HAWC天文台的核心是切伦科夫探测器。由一系列装满水的水箱组成,并带有检测光子的光电倍增管。当伽马射线撞击高层大气时,由于与大气分子的相互作用而损失了能量,从而形成了级联的光速粒子阵雨。当它们高速冲入水中时,传播速度要比光在水中的传播速度更快,这是因为水介质会使光的速度减慢一点。

这会产生“光爆”(相当于超音速的声爆),产生紫外线。这种辐射被称为切伦科夫辐射,这就是光电倍增管接收到的光子。

伽玛射线的能量越高,产生的粒子阵雨越密集。这就是物理学家区分伽马射线能量的方式。

通过这种方法,HAWC天文台最近检测到了许多能量高于100 TeV的伽马射线。这一事实支持着洛伦兹不变性——意味着高能光子的行进速度不会比真空中的光速更快。

实际上,没有显示出违背洛伦兹不变性的任何迹象。

当然,这并不意味着洛伦兹不变性在任何能级下都成立,而是说,至少在我们可检测的极限内,它始终成立。

哈丁说:“从天文距离探测更高能量的伽玛射线使我们可以更加严格地审查相对论。随着HAWC在未来几年中继续获取更多数据,并推动Los Alamos改进探测器和分析技术,提高对能级检测的上限,我们将能够进一步扩展现有的物理学。”

该研究已发表在《物理评论快报》上。

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