违反狭义相对论的可能性

爱 因斯坦的相对论基于两个假设，第一是相对论原理，第二是光速不变。但如果违反这两个假设，整个相对论就会动摇。它是物理学中一个已被证实的理论。违反它将开辟新的可能性，我们可以用不同的方式观察宇宙的内部运作，并寻求新的理论。

爱因斯坦提出了两种相对论：狭义相对论和广义相对论。狭义相对论研究的是惯性系中观察者之间存在接近光速的相对运动的情况。惯性系指的是没有外力、没有加速度，只有恒定的运动速度。而广义相对论考虑的是加速度的情况，讨论的是非惯性参考系。在本文中，我们将探讨爱因斯坦狭义相对论被违反的可能性。

首先，让我们来探究一下爱因斯坦从哪里获得了这些假设的灵感。第一个假设断言，物理定律在所有惯性参考系中都是相同的。简而言之，对于任何以零加速度沿直线运动的人来说，它们都保持不变。爱因斯坦从荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹发展的相对论电动力学理论中得出了这个概念。惯性参考系的概念最早是由该理论提出的。它是静止或以恒定速度行进的参考系。

洛伦兹制定了在惯性系之间保持麦克斯韦方程形式的变换。然而，洛伦兹不变性这一更广泛的原理，即所有物理定律在每个惯性系中保持不变，后来被爱因斯坦在其狭义相对论中推广。更准确地说，埃米·诺特在对称性和守恒定律方面的工作为爱因斯坦发展这一理论的观点奠定了基础。

第二公设——光速不变

爱因斯坦第二假设指出，真空中的光速“ c ”在任何参考系中都是相同的。光速既不依赖于观察者的速度，也不依赖于观察者移动的方向。

现在，您可能想知道为什么光速是恒定的。光是电磁辐射的一种形式，麦克斯韦的电磁场方程为我们提供了光速恒定的概念。这些方程描述了电场和磁场之间的相互作用。这些方程的数学表明，光以恒定的速度在空间中移动。

在这幅图中，我们展示了以太风的概念，以太风被认为是在太空中流动的。我们位于地球上，试图使用迈克尔逊-莫雷实验装置测量地球相对于以太风的速度。

虽然麦克斯韦方程提供了数学证据，但我们还需要实验证据。故事开始于 19 世纪后期，当时，人们普遍认为光波需要某种介质才能传播。这种假想介质被称为光以太。 人们普遍认为光速取决于观察者相对于以太的相对运动。为了验证这一点，迈克尔逊和莫雷设计了一个实验，通过测量不同方向上光速的差异来探测地球的运动。然而，当进行实验时，他们发现光速没有差异。无论地球如何在太空中移动，无论光相对于地球在太空中的运动的相对方向如何，光速都保持不变。结果很明显，没有以太，光速是恒定的。

从另一个角度来看，我们也可以理解这个想法。狭义相对论支持四维时空的概念，其中有一维时间和三维空间。光速的恒定性质表明时空具有特定的几何形状。这种几何形状称为闵可夫斯基时空。这种时空具有一种特殊的性质，即事件之间的分离是不变的。我们将分离距离称为时空格隔。现在变得有趣了，我们可以证明光沿着事件之间分离为零的路径在时空中传播。这确保了光速对于所有观察者来说都必须是恒定的。

光锥

以闵可夫斯基光锥为例，它以图形方式描绘了时空的结构，以便更好地理解这一思想。图中的纵轴表示时间，横轴表示空间。光锥外的事件是空间分离的，表明没有因果关系，而光锥内的事件是因果相关的，这意味着它们可以相互影响。这个锥体的时空间隔为零，因为光正好绕着它的表面移动。

光锥结构通过说明为什么光速对于所有观察者来说都是恒定的，强调了狭义相对论核心的不变性：无论它们如何运动，闵可夫斯基时空的几何形状保证了光路沿线的间隔保持为零。

为什么光速恒定是必要的

虽然我们已经知道理论和实验证实了光速是恒定的，但我们现在想了解为什么光速的恒定性是必然的。这个问题与我们之前提出的问题有点不同。

要理解这一点，我们首先必须掌握因果关系的概念。这就是原因和结果之间的关系。从日常生活中我们知道，原因发生之后我们才能看到与该原因相关的结果。事实上，为了在宇宙中维持因果关系，我们需要光速的恒定性，光速是因果信息或信号从一个点传播到另一个点的最大速度。这个最大速度就是光速。试想一下，如果光速在每个参考系中都不相同，那么也许在某个参考系中我们会看到结果发生在与该结果相关的原因之前。这将导致因果关系的违背。通过维持因果关系，第二条假设保留了我们宇宙中所有参考系中事件的顺序。

我们之前讨论过的概念适用于真空中光速恒定的情况。然而，有些量子引力理论，如弦理论和圈量子引力，实际上假设在非常高的能量或非常小的尺度上，时空不是平滑的，而是由离散的时空构成的。然而，这一假设会导致违反洛伦兹不变性。在这里，违反洛伦兹不变性是因为光速取决于光的能量，这进一步与爱因斯坦的第二条假设相矛盾。

图片显示了伽马射线爆发，这是一种高能宇宙爆炸，会释放出强烈的伽马射线光，通常在遥远的星系中观测到。这些爆发是宇宙中已知的最明亮的电磁事件。它们通常与大质量恒星的坍缩或中子星的合并有关，导致粒子喷流以接近光速的速度移动。

通过伽马射线爆发寻找洛伦兹不变性违反

为了寻找违反爱因斯坦第二假设的原因，我们将研究所谓的伽马射线爆炸。这些是非常强大的爆炸，曾在遥远的星系中出现过。这些爆发产生的光子需要大约十亿光年才能到达地球。如果违反了洛伦兹不变性，那么高能量光子和低能量光子的速度就会有所不同。由于这些光子来自遥远的地方，即使它们的速度有一点差异，也会导致不同能量的光子到达时出现可测量的时间延迟。你可以从下面的距离时间公式中了解到这个概念。在这里，你可以看到，即使光子速度有一点差异，也会导致明显的时间差异。

从时间上的差异，我们可以看到爱因斯坦第二假设的违反。我们会观察到光子以不同的速度到达。2022 年，科学家观测到最亮的伽马射线爆发，名为 GRB 221009A。整个事件在一个距离数十亿光年的遥远星系中持续了 10 秒。在地球上，该事件可观测 10 小时。这次爆发的光子传播了数十亿光年。从这次爆发中，我们可以检查极高能级下洛伦兹不变性的违反情况。

为了实现这一目标，中国大型高海拔空气簇射观测站的研究人员开始研究伽马射线爆发的余辉。该观测站的水切伦科夫探测器阵列被定位以捕捉来自 GRB 221009A 的爆发。然而，他们观察到，所有光子，无论其能量如何，都是同时从数十亿光年外到达的。因此，没有违反洛伦兹不变性。

如果洛伦兹不变性被违反，那么我们对时空和量子引力的理解将会发生改变。这也将导致狭义相对论在高能或普朗克尺度上失效。这也将进一步证实普朗克尺度上时空的离散性质。

未来，科学家计划研究伽马射线爆发的初始极高能阶段。如果存在违反洛伦兹不变性的现象，则此阶段的极高能光子将揭示速度的任何微小差异。此前，他们专注于爆发的余辉，这是一种在初始爆炸后发生的更长时间的发射，主要包含低能光子，因此不太适合检测违反洛伦兹不变性的现象。我们仍然希望科学家将继续调查和解决这些问题。