科學家證實光速在真空中是恆定的,廣義相對論再次獲得驗證

2020-12-22 科技領航人

在2019年,MAGIC望遠鏡探測到了第一個超高能量伽馬射線暴(GRB),這是從宇宙大災難天體上發出的超強烈的伽馬輻射。但是伽馬射線暴(GRB)數據還有更多提供:通過進一步分析,MAGIC科學家現在可以確認光速在真空中是恆定的,而不依賴於能量。因此,與許多其他測試一樣,GRB數據也證實了愛因斯坦的廣義相對論。該研究現已發表在《物理評論快報》上。

圖註:MAGIC望遠鏡系統和衛星天文臺觀察到的伽馬射線暴。愛因斯坦的廣義相對論(GR)是一個完美的理論,它解釋了質量和能量如何與時空相互作用,從而產生了一種通常稱為引力的現象。廣義相對論(GR)已在各種物理情況下和許多不同的規模上進行了測試和重新測試,並且假定光速是恆定的,因此它總是能夠出色地預測實驗結果。儘管如此,物理學家懷疑廣義相對論(GR)不是最基本的物理理論,並且可能存在一種潛在的引力量子力學描述,稱為量子引力(QG)。

一些量子引力(QG)理論認為,光速可能取決於能量。這種假設現象稱為洛倫茲(Lorentz)不變性違背(LIV)。它的作用被認為太小而無法測量,除非它們在很長的時間內積累起來。那麼如何實現呢?一種解決方案是使用來自天文伽瑪射線源的信號。

伽馬射線暴(GRB)是強大而遙遠的宇宙天體爆炸而產生,它會發射高度可變,極具能量的信號。因此,它們是進行量子引力(QG)實驗測試的出色實驗室。預計高能光子將受到量子引力(QG)效應的影響更大。它們在到達地球數十億年之前,一直在太空中旅行,這增強了效果。

每天使用衛星探測器探測伽馬射線暴(GRB),該探測器觀測天空的大部分,但能量比MAGIC等地面望遠鏡低。 2019年1月14日,MAGIC望遠鏡系統檢測到了兆伏特級電子能量(TeV,比可見光高出1萬億倍的能量)中的第一個伽馬射線暴(GRB),因此記錄了迄今為止從這樣一個物體上觀察到的最高能的光子。進行了多次分析以研究該物體的性質和非常高的能量輻射。

裡耶卡大學的研究員託米斯拉夫·特爾奇奇(Tomislav Terzic)表示:「從未對TeV能量範圍內的GRB數據進行LIV研究,只是因為到目前為止還沒有這樣的數據。二十多年來,我們一直在期待這種觀察可以提高對LIV效應的敏感性,但是直到看到我們的分析最終結果,我們才能說出多少。這是一個非常令人興奮的時期。」

自然,MAGIC科學家希望利用這一獨特的觀察來尋找量子引力(QG)的作用。 然而,從一開始,它們就遇到了障礙:用MAGIC望遠鏡記錄的信號隨時間單調衰減。 雖然這對於天體物理學家研究伽馬射線暴(GRB)是一個有趣的發現,但對LIV測試不利。

巴塞隆納IFAE的研究人員丹尼爾·科爾斯伯格(Daniel Kerszberg)表示:「在比較兩種不同能量的伽馬射線到達時間時,人們假設它們是從源頭瞬間發射的。然而,我們對天文物體過程的了解仍然不夠精確,無法精確定位任何給定光子的發射時間。」

傳統上,天體物理學家依靠信號的可識別變化來限制光子的發射時間。單調變化的信號缺少這些功能。因此,研究人員使用了理論模型,該模型描述了MAGIC望遠鏡開始觀測之前預期的伽馬射線發射。該模型包括通量的快速上升,峰值發射和像MAGIC觀察到的那樣的單調衰減。這為科學家提供了真正尋找LIV的途徑。

然後仔細分析發現,伽馬射線的到達時間沒有能量依賴的時間延遲。說明愛因斯坦廣義相對論是正確的。「但這並不意味著MAGIC團隊就一無所獲。」慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所的研究員賈科莫·達米科(Giacomo D'Amico)說,「我們能夠對QG能源規模設置嚴格的約束。」在這項研究中設定的限值與使用衛星探測器進行GRB觀測所獲得的最佳可用限值相當。

帕多瓦大學的博士後研究員塞德裡克·佩雷尼斯(Cedric Perennes)補充說:「我們都很高興,很榮幸能夠對TeV能量範圍內的GRB數據進行首次關於洛倫茲不變性違反的研究,並為將來的了解打開了大門!」

與以前的工作相比,這是有史以來第一次在TeV能量下對GRB信號進行的測試。通過這項開創性的研究,MAGIC團隊因此為21世紀的愛因斯坦理論的進一步研究和更嚴格的檢驗奠定了基礎。MAGIC合作的發言人奧斯卡·布蘭奇(Oscar Blanch)總結道:「這次,我們觀察到相對較近的GRB。我們希望能儘快捕獲到更明亮,更遙遠的宇宙災難性事件,從而可以進行更靈敏的測試。」

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  • 在知乎回答:開著手電筒跑步能否使光傳播速度超過真空光速?
    然後,到「真空光速」。我們知道有一個說法,「光在真空中的傳播速度恆定為C」。我們可以假定這個說法是正確的,但是這裡面有一個問題,那就是:這個C,是相對於什麼參考系?真空的意思就是沒有任何的物質的空間,那麼,真空中的光傳播速度C是相對於什麼參考系?有些人會說沒有真正意義上的真空,也就沒有實際意義上的參考系,所以真空中的光傳播速度就成了假命題。
  • 狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
    只不過,這兩個理論有個矛盾,那就是:光速。具體來說,牛頓的理論認為,速度可以不斷地進行疊加,沒有上限,只要你加得上去就行。可是,麥克斯韋方程得出的光速是一個固定值,似乎暗示著光速無論在什麼慣性坐標系下都是一樣的。要知道,我們在使用牛頓力學時,是需要先選定參考坐標的。因此,科學家就在思考,是不是存在一個奇怪的坐標系,讓光速一直保持一個速度,它們管這個叫做以太。
  • 引力波和光速都是299792458m/s,是巧合還是必然?
    廣義相對論和牛頓力學的根本性矛盾主要體現在下面 牛頓力學:引力是瞬時的(不含時),這種超距作用在以太中得以實現(以太是引力的傳播介質) 廣義相對論:引力的傳播無需引入一個假象物充當介質,引力是非瞬時的,它的速度是光速,引力是時空彎曲的表象。
  • 為什麼愛因斯坦狹義相對論中的光速不能被超越?
    在宇宙中,物體(能傳遞信息)最快的速度是光速,而且物體速度在光速的情況下,會發生很多神奇的事情,比如物體的速度達到光速,時間就會停止,按照狹義相對論的說法,任何有質量的物體都無法達到光速,只能逼近光速,更是不可能超光速。那麼速度的上限就是光速了嗎?
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    在愛因斯坦的相對論中,光速是恆定的,並且是不可超越的,但在宇宙間能夠達到光速的不僅僅只有光,還有引力、磁場和電場,同樣它們也能以光速進行傳播。什麼是引力?首先提出萬有引力的是牛頓,在他看來引力可以描述成兩個物質之間的吸引力,不過後來愛因斯坦提出了廣義相對論,這與牛頓持相反的態度,他主張引力並不是一種單純的力,它其實是物體彎曲時空的結果,雖然現如今的宇宙天體運行都受到萬有引力的制約,但是很明顯它是已知的基本力中最弱的一個,尤其是在分子和原子尺度上。