理论物理学

相对论不可侵犯吗?

为了寻求终极理论,物理学家正在加大研究力度,以击败狭义相对论。到目前为止,他们已经失败了。

艾伦·科斯泰莱基(Alan Kostelecky) 对于科学N°326
本文仅供《 对于科学》的订户使用
狭义相对论是最基本的物理理论的核心。它由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)于1905年提出,它指出,对于任何惯性观测器,也就是说,对于以恒定速度沿任意方向运动的任何观测器,物理定律都是相同的。该理论预测了各种已知的影响,包括所有观察者的光速恒定,运动时钟的减速,运动物体长度的收缩以及质量和能量的等效性。 (E = mc2)。这些效应已经在实验中以极高的精度得到了证实,而相对论如今已成为实验物理学的基准工具:粒子加速器中的许多实验都基于增加粒子的质量和寿命。粒子高速运动;其他由放射性同位素制成的物质则利用了质量转化为能量的优势。相对性甚至涉及消费电子产品,尤其是 全球定位系统 (全球定位系统),其中考虑到了时间膨胀,这会干扰环绕地球运行的卫星上的时钟的跳动。

最近,试图将所有已知的力和粒子整合到一个最终统一的理论中,一些物理学家提出相对论的假设只是自然定律的近似。因此,他们希望通过发现相对论的微小违反,来收集期待已久的关于这一终极理论的实验性线索。

物理定律对于不同观察者的不变性反映了称为洛伦兹对称性的时空对称性(时空对称性),以纪念荷兰物理学家亨德里克·安东·洛伦兹(Hendrick Antoon Lorentz)进行研究。 1890年代,一个完美的球体表现出普通的旋转对称性:无论您如何旋转,球体都保持不变。洛伦兹对称性不涉及物体外观的守恒性,而是涉及不同参考系(相对于物体具有不同方向或均匀直线平移(恒速))中不同参考系中的物理定律。其他)。观察者在工作中会看到相同的物理定律,无论他位于何处都是参考点(无论火车在站内静止还是已获得通行证,火车上的乘客都会经历相同的物理定律。匀速)。当观察到洛伦兹对称性时,时空是各向同性的:所有均匀的方向和平移运动都是等效的,因此没有均匀的方向或运动会与众不同。

洛伦兹对称是相对论的主体。在爱因斯坦之前,包括洛伦兹在内的其他几位物理学家已经建立了与相对论效应相关的方程,但他们只看到了物体发生物理变化的描述:因此,他们通过减小距离来解释长度的收缩。原子间的爱因斯坦的天才是通过结合所有这些元素来感知钟表的长度和节拍之间存在联系的。从那时起,时空的概念融合为一个新概念,即时空。

洛伦兹对称性是我们描述粒子和基本力的关键要素。与量子力学原理相关联,它提供了一个称为相对论量子场论的框架。在这个理论中,每个粒子,每个力都由一个占据所有时空并且具有适当的洛伦兹对称性的场来描述。诸如电子或光子之类的粒子是相关场的局部激发(量子)。粒子物理学的标准模型是相对论量子场论,它描述了所有粒子和所有已知的非重力(电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用)。洛伦兹对称性的要求极大地限制了场的行为和相互作用。

标准模型不包括重力相互作用。我们对重力的最佳描述-爱因斯坦的广义相对论-也基于洛伦兹对称性(它包括重力,而“特殊”相对论则排除了重力,因为它不适用于加速的参考系。 )。在广义相对论中,就像在狭义相对论中一样,给定位置的物理定律对于观察者的所有方位和速度都是相同的,但是重力的影响使得很难比较在不同点进行的实验。广义相对论是一个经典的(即非量子)理论,物理学家不知道如何将其与标准模型完美地结合在一起。但是,我们知道如何(尽管不完美)将这两种理论结合到一个称为“标准模型”的理论中,该理论具有引力,该模型描述了所有粒子和四种相互作用。

反对自然的结合?

标准模型和广义相对论的这种结合确保了对自然的极其有效的描述。它描述了所有基本现象并解释了到目前为止获得的所有实验结果。但是,许多物理学家认为这种结合并不令人满意,特别是因为量子物理学和引力各自承认一个优雅的表述,但在当前形式上似乎在数学上是不相容的。在重力和量子物理学都起着重要作用的情况下,将重力作为外力引入到量子描述中。该限制条件允许对实验进行完美的建模,但在基本和一致的描述方面仍不令人满意。这就像描述举重运动员使用骨骼支撑的应力和分子向下精确建模的各种特性,但将其肌肉比作黑匣子一样。

这就是为什么许多物理学家认为有可能提出一种终极理论的原因-结合了量子物理学和引力的自然界的全面统一描述。爱因斯坦本人是最早寻求统一理论的人之一。他正在寻找一种不仅能描述重力,而且能描述电磁学的理论。不幸的是,他过早地解决了这个问题。众所周知,电磁与强相互作用和弱相互作用密切相关。强相互作用作用于夸克,质子和中子等粒子的组成部分,而弱相互作用作用于某些类型的放射性和中子的衰变。仅在爱因斯坦去世后才发现强相互作用和弱相互作用可以分开描述。

统一和普朗克规模

弦理论为这种终极理论提供了一种有前途的,全面的方法,其中所有粒子和力都可以用一维(弦),二维(膜)和多维(大脑)物体进行描述。 。另一种方法-量子环引力-寻求广义相对论的连贯量子解释,并预测空间是由体积和表面的离散(量子)元素组成的。

无论最终理论的最终形式是什么,物理学家都认为,量子物理学和引力将以约10的基本长度尺度密不可分地纠缠在一起。–35 米,普朗克刻度。后者太小,以至于无法在常规显微镜或仪器(如粒子对撞机)(其“仅”探测距离为10级)的范围内到达。–19 仪表)。因此,要建立一个令人信服的终极理论将非常困难,但是,直接观察它所预测的新物理学将是不可能的。

尽管有这些障碍,但仍有机会获得普朗克规模的有关统一理论的实验信息:足够敏感的实验可能会获得反映此统一理论新物理的微小间接影响。 。以此类推,请考虑在电视或计算机屏幕上形成的图像。该图像由多个明亮像素组成。与人们在屏幕上看的距离相比,这些像素非常小,因此图像对于观看者来说似乎是连续的。但是,在某些情况下,我们会注意到这些像素的存在,例如,电视新闻节目的主持人戴着一条带有窄条纹的领带时,这些领带会在屏幕上产生波纹图案。在普朗克尺度上,相对论的违反类似于这些莫尔条纹:在宏观距离上,时空是洛伦兹不变的,但是这种对称性在足以使l发生的距离处可以打破。量子物理学和引力的统一。

普朗克尺度上相对论违反的可观察到的影响可能在10–34 和 10–17 相对价值。想像一下这是什么意思,知道头发的直径大约是10–30 乘以可观测宇宙直径的乘积,而同一直径与海王星轨道直径的比等于10–17。检测相对论违规要求任何有史以来最敏感的实验。

对称性 cpt 是时空的另一个基本对称性,可以违反。当同时应用以下三个操作不会干扰物理定律时,就会发生这种对称性:交换粒子和反粒子(电荷共轭​​C),在镜中反射(奇偶变换P)和反转。时间(T)。标准模型尊重对称性 cpt,而违反相对论的理论可能会打破它。

自发侵犯

相对论的违反在最终理论中如何体现?其中之一,自然而优雅的机制,将是对洛伦兹不变性的自发违反。这类似于在基础物理定律对称而不是系统对称时发生的其他类型对称性的自发破坏。要了解自然对称断裂的一般概念,请考虑将一个小的垂直圆柱体放在地面上。假设将向下指向的垂直力施加到圆柱体的顶部。该组件相对于围绕圆柱轴的旋转是完全对称的。因此,描述这种情况的基本物理方程是旋转不变的。但是,如果施加的力足够大,则杆会弯曲,这会破坏旋转对称性。

在违反相对论的情况下,描述杆和作用力的方程式将被最终理论的方程式所替代。与物质和力有关的量子场取代了棒。在没有激励的情况下,这些场的平均值通常为零,但在某些情况下则不再为零。想象一下,这是在电场中发生的。具有方向的电场(是矢量),空间的每个点都由该电场的方向来表征,并且放置在此点的带电粒子在该方向上被加速。然后破坏了旋转对称性。对于任何非零的“张量场”,相同的推理是有效的,矢量是张量的特殊情况。

这些非零的自发张量场没有出现在标准模型中,但是一些基本理论(包括弦论)包含有利于自发打破洛伦兹对称性的元素。 1989年,我们与纽约大学的斯图尔特·塞缪尔(Stuart Samuel)一起假设,这种对称性会自然破裂,并且在弦论和弦论中会出现相对论的明显违反。重力场。然后,在1991年,考虑到自发性的对称性破坏,我们与葡萄牙阿尔加威大学的Robertus Potting进行了进一步的交流。 cpt 在弦论中。从那时起,在弦论和量子引力的其他方法中提出了其他相对论违反机制。如果洛伦兹对称性或任何其他机制的自发破裂被证明是最终基础理论的一部分,那么相对论的随之而来的违反将为支持该理论提供第一个实验线索。

扩展标准模型

假设自然的基本理论确实包含对洛伦兹对称性的违反-也许伴随着一种违反 cpt。这种现象如何在实验中表现出来,以及如何将其与已知物理学联系起来?要回答这些问题,我们需要一个包含所有可能影响并适合任何实验分析的通用理论框架。这种理论框架将有可能确定某些实验参数,比较不同的实验并描述预期的效果。

某些准则指导我们构建此理论框架。首先,所有物理现象必须独立于用于描述空间和时间的特定坐标系。其次,考虑到标准模型和广义相对论的实验成功,是否存在违反洛伦兹对称性或对称性的情况 cpt,它一定很弱。通过使用这些约束以及唯一已知的力和粒子,我们确定了可能会添加到该理论方程式中的一组术语-相互作用。每个项对应于采用非零结果值的特定张量字段。指定这些项的大小的系数是未知的-实际上,一旦确定了最终的理论,它们中的许多可能为零。

这种方法导致了一种称为标准模型扩展的理论。该理论的优点在于它的一般性:它包含相对论的所有可能的修改和概括,这些修改和概括都与标准模型以及我们对重力的了解兼容。

为了可视化违反洛伦兹对称性的影响,先假设时空具有内在取向。在矢量场在标准模型的扩展方程式中引入特定项的情况下,此方向将与矢量场的方向一致。张量场的更一般情况是相似的,但更为复杂。通过与这些环境场的耦合,粒子的运动和相互作用应获得方向依赖性,就像带电粒子在电场或磁场中移动一样。我们还可以可视化违规 cpt,但是在这种情况下,出现效果是因为粒子和反粒子与环境场的耦合不同。

根据标准模型的扩展,相对论的违反会破坏粒子的行为。粒子的性质及其相互作用可能取决于其运动方向和运动速度。粒子可以具有自旋-本征角动量-在这种情况下,由于相对论的违反而引起的行为可能取决于该自旋的值和方向(电子的自旋类似于微小的磁体;指向相反方向的两个旋转彼此抵消;在相同方向上将它们相加)。粒子也可能不是其反粒子的镜像(违反 cpt)。每种行为都取决于粒子的类型。例如,质子比中子受干扰更大,而电子则根本不受干扰。这些效应共同产生了大量有趣的信号,人们可以在实验中寻找这些信号。许多这样的实验正在进行中,但到目前为止,还没有任何结论证明存在相对论。

老化的光

为了检测相对论的可能违反,我们研究了在宇宙中行进了数十亿光年的偏振光的属性。根据标准模型的扩展,某些违反相对性的相互作用会改变光在太空中传播时的偏振态。这种修改随着行进距离的增加而增加。

在标准模型的扩展中,与光有关的相对论主要违反包括破坏对称性的那些 cpt 和那些保存它的人。由于技术和理论原因,那些破坏对称性的原因 cpt 将不存在或可忽略不计;通过研究精度为10的宇宙学数据已证实了这一点。–42。保留对称性的相对论违规约有一半 cpt 因为可以通过测量宇宙学偏振来观察光:光在其位移中所经历的偏振变化将取决于该光的颜色。在印第安纳大学,我和Matthew Mewes在来自遥远星系的红外,可见光和UV光的偏振数据中研究了这种效应,精度高达10–32 控制这些违规的系数。

可以在实验室中使用现代版本的迈克尔逊和莫雷实验来测试相对性,以此来衡量其他违反光相对性的方法。在该实验中,两个光束在垂直方向上传播,并证明它们的相对速度与方向无关。如今,最敏感的实验使用谐振腔。例如,我们在转盘上旋转空腔,并寻找其谐振频率的变化。斯坦福大学的约翰·利帕(John Lipa)使用超导腔来研究微波共振的特性。柏林洪堡大学的Achim Peters和杜塞尔多夫大学的Stephan Schiller使用的激光穿过由蓝宝石晶体制成的谐振器。这些实验以及其他类似实验已经达到了10–15 和 10–11。来自巴黎天文台的彼得·沃尔夫(Peter Wolf)和他的团队使用了一种结合了前两种技术的设备:蓝宝石谐振器和微波一起工作,它们的频率经常与氢原子钟进行比较。 。该团队所达到的精度比德国团队高出十倍。

时钟比较实验试图根据时钟的方向检测时钟跳动的变化,这也使得获得对相对性违规的超高灵敏度成为可能。典型的“时钟”是放置在磁场中的原子,其跳动是该原子的两个能级之间的跃迁频率,该频率取决于磁场强度。时钟的方向由所施加磁场的方向定义,通常相对于实验室保持固定,因此随着地球自转而旋转。第二个时钟控制第一个时钟的跳动。后者通常是经历相同类型跃迁的不同类型的原子。违规应表现为时钟拍频值(过渡频率)的差异。

这类最敏感的实验是在哈佛大学史密森尼天体物理学中心的罗纳德·沃尔斯沃思实验室进行的。他们已经达到了非凡的敏感性(10–31),对于标准模型扩展中与中子有关的系数的特定组合。 R. Walsworth在一个简单的玻璃灯泡中混合氦气和氖气,将这两种气体转变成微波激射器(微波激光器),这是一项技术专长,然后比较了两种微波激射器的频率。

其他团队已经进行了许多使用原子作为时钟的实验。他们的敏感度在10–27 和 10–23 涉及质子,中子和电子的不同类型的相对论冲突。其他实验使用(代替原子)电子,正电子(反电子),带负电的氢离子和反质子限制在电磁陷阱中,以及mu(由原子组成的“原子”电子绕着一个正子向轨道运动)。

计划在国际空间站和其他卫星上进行几次时钟比较实验。这些实验将具有几个优点,包括更容易访问所有空间方向。在地球上进行的实验利用了行星的自转,但由于自转轴的固定性,其灵敏度仅限于违反自转对称性的特定形式。国际空间站轨道平面的倾斜和进动将使测试所有空间方向成为可能。而且,该站的轨道周期(92分钟)将比地面实验快约16倍。国际空间站通常具有与地球相同的面孔:它在92分钟内描述了其轨道,在此期间,它完成了完整的旋转。为了更快地记录任何变化,其他团队(尤其是在澳大利亚)已经在地球上开发了实验设备,但这些设备在实验室的资料库中轮换使用。

反物质证明

我们可以直接测试违规 cpt 通过比较颗粒和反颗粒的性质。经典测试之一涉及称为kaon的基本粒子。弱的相互作用导致kaon逐渐转变成其抗粒子antikaon,然后又将antikaon转化为kaon。这些kaon振荡是如此精细地调整,以至于即使是微小的违反 cpt 会大大改变它们。几个团队研究了这些振荡,以便发现违规情况。 cpt。当前,对违反洛伦兹对称性和违反的最敏感约束 cpt 因为KteV是通过KT​​eV合作获得的:这个在巨型费米实验室加速器Tevatron上进行的实验创造了巨大数量的kaon。结果给出了两个独立的标准模型扩展系数的度量,其灵敏度等于10–21。两次经验, 雅典娜陷阱,正在进行中 塞恩是位于日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室,目的是捕获反氢并将其光谱与氢光谱进行比较。如果对称 cpt 保持不变,这两个光谱应该相同 (见图3).

相对论的一些非常敏感的测试也使用了由材料组成的物体,其中许多电子的自旋结合在一起,产生非零的自旋。这种类型的材料很常见:例如,它的自旋之和会产生条形磁铁的磁场。但是,当寻求违反洛伦兹对称性时,强磁场的存在是一个障碍。为避免此缺点,华盛顿大学的埃里克·阿德尔伯格(Eric Adelberger)和布莱恩·赫克尔(Blayne Heckel)设计了一种极化自旋材料环,该环具有最终的非零电子自旋,但缺少外部磁场。 (见图4)。圆环在扭摆中起到平衡作用,使摆锤从转盘上摆动下来。与自旋相关的洛伦兹对称性的违反将通过摆的振荡的扰动来证明,该扰动取决于摆的取向。此设备的灵敏度等于10–29,这是研究涉及电子的相对论违规的最佳方法。

可能已经检测到相对论违规而未被识别出来。物理学家已经表明,虚幻的基本粒子中微子会从一种状态振动到另一种状态,这需要修改标准模型的最小形状。通常通过将较小的质量分配给中微子来解释这些振荡。但是标准模型的扩展也将中微子归因于异常振荡。根据理论家的说法,作为标准模型扩展的一部分,通过相对论的违反来描述中微子的行为将比通常的质量描述更为简单。对中微子数据的后续分析可能证实了这一想法。

这里提到的实验表明,当前的技术可以实现与普朗克刻度相关的灵敏度。诚然,没有获得的结果表明存在相对论的违背,但是所研究的违背的类型仍然很少。不久的将来,相对论测试范围(测得更多的系数)和精度(灵敏度会提高)都有望得到改善。如果有一天我们发现违反相对论的行为,我们将不得不对我们对宇宙的概念进行重大审查。

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

我们的最新出版物

回到顶部

已经有帐号了?

身份证明

标识自己可以访问您的内容

看到

还没有帐户 ?

注册

注册以激活您的订阅或订单问题。

创建我的账户