阿爾伯特·愛因斯坦留給我們的最大科學遺產是：對於宇宙中的所有觀察者來說，光速和物理定律似乎都是一樣的。不管你在哪裡，移動的速度或方向，或者你測量的時候，每個人都會經歷同樣的基本自然法則。這背後的對稱性，洛倫茲不變性，是一個絕對不能違反的對稱性。

圖注：光子總是以光速傳播，並遵循相同的自然規律，而不管其能量如何。如果量子引力或弦理論的某些模型是正確的，當光子在宇宙中傳播時，超過某個能量閾值的光子應該會衰減。HAWC的合作團隊，發現不存在這樣的中斷。

然而，許多超越標準模型和廣義相對論的想法——比如弦理論或量子引力的大多數表現形式——可能會破壞這種對稱性，從而影響我們對宇宙的觀察。HAWC的合作團隊於2020年3月30日發表的一項新研究，對洛倫茲不變性破壞提出了最嚴格的限制，對理論物理學有著迷人的啟示。

圖注：統一的觀點認為，所有三種標準模型力，甚至更高能量下的引力，都統一在一個框架中。這個想法很有說服力，引起了大量的研究，但完全是一個未經證實的猜想。在更高的能量下，量子引力理論可以潛在地統一所有的力。但這種情況往往會對可觀察到的、受到嚴格限制的低能量現象產生影響。

我們對宇宙最好的物理理論是描述基本粒子及其核與電磁相互作用的標準模型，以及描述時空與引力的廣義相對論。儘管這兩種理論完美地描述了現實，但它們並不完整：例如，它們沒有描述引力在量子水平上的行為。

物理學家們的希望——有人會稱之為終極夢想或“聖盃”——是存在一個引力量子理論，當我們找到這個理論時，它將把宇宙的所有力量統一在一個單一的框架下。但是這些被提出的量子引力框架，包括弦理論，可以打破對標準模型和廣義相對論都很重要的基本對稱性：洛倫茲不變性。

圖注：如果一個理論在相對論上不是不變的，那麼不同的參照系，包括不同的位置和運動，將會看到不同的物理定律（並且在現實中會有分歧）。我們在“加速”或速度變換下具有對稱性這一事實告訴我們，我們有一個守恆的量：線性動量。 理論在任何形式的座標或速度變換下都不變的事實稱為洛倫茲不變性，任何洛倫茲不變對稱性都可以保持CPT對稱性。然而，C、P和T（以及CP、CT和PT的組合）都可能被單獨違反。

洛倫茲不變性是具有豐富術語的物理學術語之一，但含義很簡單：無論在何處或何時進行測量，自然定律都是相同的。無論您是在這裡還是十億光年遠，都沒關係；無論是現在還是數十億年前或未來數十億年進行測量，都沒有關係。靜止不動或接近光速都沒關係。如果您的定律不關心您的位置或動作，那麼您的理論就是洛倫茲不變的。

標準模型完全是洛倫茲不變的；廣義相對論完全是洛倫茲不變的。但量子引力的許多化身只是近似洛倫茲不變數。要麼強制它的對稱性被打破，要麼有新的物理學只出現在高能尺度上打破它。儘管低能宇宙被觀察到是洛倫茲不變的，但粒子對撞機（如大型強子對撞機）的直接搜尋受到它們能探測到的能量的嚴重約束。

圖注：歐洲核子研究中心的鳥瞰圖，其中描繪了大型強子對撞機的周長（總共27公里）。之前，同一個隧道被用來安置一臺電子-正電子對撞機LEP。LEP的粒子比LHC的粒子快得多，但是LHC的質子攜帶的能量比LEP的電子或正電子攜帶的能量要多得多。在大型強子對撞機上進行了強烈的對稱性測試，但光子能量遠低於宇宙產生的能量。

在物理學中，我們通常用電子伏特（eV）來測量能量，也就是給單個電子一個伏特的電勢所需的能量。在粒子物理學中，我們把物體加速到高能，所以根據我們達到的能量，用GeV（十億電子伏）或TeV（一萬億電子伏）來測量它們。大型強子對撞機每粒子的能量約為7tev，但這仍然非常有限。

通常，當物理學家談論最高能量尺度時，他們談論的要麼是理論上的大統一尺度，要麼是弦尺度，要麼是普朗克尺度，最後一個尺度是已知物理定律目前失效的地方。這些能量在10^15到10^19gev之間，或者說是大型強子對撞機能量的一萬多億倍。雖然大型強子對撞機是一個很好的約束工具，但它在測試可能違反洛倫茲不變性的量子引力模型方面做得相對較差。

圖注：脈衝星風星雲，就像這裡用X射線和光描繪的蟹狀星雲一樣，不僅是非常高能的粒子的來源，也是非常高能的伽馬射線的來源，這些伽馬射線可以被測量並用來限制標準模型的某些可能的擴充套件。

但天體物理學給我們提供了一個實驗室，可以進行遠遠超出大型強子對撞機（LHC）或任何地球物理實驗可能提供的範圍的探測。以宇宙射線形式存在的單個粒子，其能量已超過10^11gev。像超新星、脈衝星、黑洞和活動星系核這樣的天體物理現象可以創造比我們的實驗室更極端、更充滿活力的條件。

而且，也許最引人注目的是，這些粒子需要覆蓋的天體物理距離，確保我們不是在時間尺度上測量它們的特性，而不是在時間尺度上測量它們的微小的幾分之一秒，而是在無數光年裡，它們需要旅行才能到達我們的眼睛。這種在天文距離上運動的高能粒子的組合，為我們提供了一個前所未有的實驗室，來測試這些違反量子引力和絃理論模型所激發的想法的洛倫茲不變性。

圖注：量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學結合起來。對經典引力的量子校正顯示為迴圈圖，如此處白色所示。標準模型中規定的許多對稱性只能是量子引力理論中的近似對稱性。

我們可以進行的一個特別好的測試是觀察光子在宇宙中傳播時的光量子。如果洛倫茲不變性具有一個完美的、精確的對稱性，那麼所有能量的光子都應該均勻地穿過宇宙，甚至在穿過宇宙的距離過程也是如此。但是，如果有任何違反這種對稱性的情況，即使它處於超高能尺度，遠遠超過那些光子的能量，那麼超過特定能量閾值的光子應該會衰減。

在標準粒子物理學中，每個相互作用都必須同時保持能量和動量。兩個光子可以自發地相互作用併產生一個電子-正電子對，但一個光子不能自己做到這一點。如果我們要求能量守恆，保持動量的唯一方法就是讓另一個粒子起作用。

圖注：兩個光子會碰撞，產生一個電子-正電子對，或者一個電子-正電子對可以相互作用，產生兩個光子。 但是您不能僅從一個光子獲得一對，因為那樣會違反能量動量守恆。 但是，在違反洛倫茲不變性的情況下，這種光子衰減是不被禁止的。

但是如果違反了洛倫茲不變性，我們不需要精確地保持動量，只需要近似就可以了。如果導致這種破壞的新效應，在某個非常高的能量尺度上起作用，那就意味著有一定的概率，即使是低能量光子也會經歷洛倫茲不變性破壞衰變。這種效應很小，但在幾千光年或更長的距離內，光子超過某一能量閾值的概率應該降到零。

天文學家用來測量這些高能伽馬射線光子的最先進的工具之一是HAWC：高空水切倫科夫天文臺。精確測量這些非常高能的光子——光子超過10 TeV甚至100 TeV，大約是大型強子對撞機所能產生光子能量的一百倍——可以提供有史以來最強的洛倫茲不變性破壞搜尋。

圖注：這幅合成圖顯示了超高能伽馬射線的天空景象。箭頭顯示了銀河系內能量超過100tev的四種伽馬射線源（由HAWC團隊提供），這些伽馬射線源強加於HAWC天文臺300個大型水箱的照片上。這些罐子裝有靈敏的光探測器，用來測量伽馬射線在頭頂16公里以上撞擊大氣時產生的粒子陣雨。

在他們最新的出版物中，HAWC合作團隊宣佈探測到來自銀河系內四個不同來源的大量高能光子：它們都對應於脈衝星風星雲，這是超新星的殘餘，加速了來自周圍物質豐富區域的物質。

如果洛倫茲不變性成立，這些來自脈衝星的光子應該有一個連續的光譜，其能量譜中沒有硬截止（即急劇下降和衰減）。但是，如果違反了洛倫茲不變性，那麼在特定的閾值之上，光子的數量應該減少：或者減少到其期望值的0%或50%，這取決於特定的洛倫茲不變性違反場景。但是HAWC團隊所看到的精度幾乎是之前任何一次測量的100倍，表明根本沒有違規。

圖注：HAWC觀測到的四種不同的脈衝星，其光子能譜遵循彩色實線（最佳擬合），不確定輪廓用陰影顏色表示。排除了用虛線表示的洛倫茲不變性破壞場景。

這個結果的迷人之處在於，它在能量尺度上設定了一個極限，在這個能量尺度上，洛倫茲不變性破壞被允許發生。根據最新的HAWC合作團隊公佈的結果，我們可以得出結論，在2.2×10^31ev的能量尺度下，沒有違反這種對稱性：幾乎是普朗克能量尺度的2000倍。

重要的是，這比弦理論、量子引力或任何超出標準模型物理場景的奇異能量尺度都要高得多，這些場景帶來了洛倫茲不變性破壞。在未來，一個更高能量的儀器可能會對耦合和可能的洛倫茲破壞的能量尺度施加更嚴格的約束，未來的約束將隨著觀測到的光子能量的立方而上升。

圖注：擬議的南部廣域伽瑪射線天文臺（SWGO）的能量範圍將遠遠超出HAWC可以達到的範圍； 能量乘以10的改善將轉化為可以限制洛倫茲不變性的尺度的1000的改善。

它可能發生在比我們設定的約束高得多的能源規模上，比普朗克規模高數千倍。它可能涉及到非常小的耦合，這將放鬆能量約束。或者它可能涉及不同於我們通常假設的不同型別的洛倫茲不變性破壞（例如，亞光速）。

但是事實仍然是，這些基於光子的約束條件告訴我們，如果像弦論這樣的量子引力候選者，引入一種洛倫茲不變性來預測光子衰變的天體物理特徵，就像許多人所做的那樣，那麼它們現在將受到約束甚至被排除在外。 物理定律在任何地方，任何時候實際上都是相同的，對標準模型和廣義相對論的任何擴充套件都必須考慮這些新的、強有力的約束。