近日，由北京大学物理学院理论物理研究所博雅特聘教授马伯强主导的团队通过分析伽马射线暴中高能光子与低能光子的时间延迟现象，为检验时空基本对称性（即 “洛伦兹不变性”）的破缺提供了迄今最系统的观测信号。该研究不仅更新了洛伦兹不变性破缺的能量尺度测算，更以超过 3.1σ 的显著性水平对 “光速恒定” 的传统假设提出挑战，为探索量子引力理论迈出关键一步。

洛伦兹不变性概念：洛伦兹不变性是指在洛伦兹变换下，物理规律保持不变。洛伦兹变换是描述不同惯性参考系之间时空坐标变换的一种数学关系，它是狭义相对论的核心内容之一。在狭义相对论中，时间和空间不再是绝对的，而是与观察者的运动状态有关。洛伦兹不变性保证了物理规律在不同的惯性参考系中具有相同的形式，也就是说，无论观察者处于何种运动状态，所观察到的物理现象都遵循相同的基本规律。

理论背景

- 量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱，但二者在各自的领域取得巨大成功的同时，却难以融合成一个统一的量子引力理论。在微观的量子领域，量子场论取得了巨大成功，它基于量子力学的原理，描述了基本粒子及其相互作用，并且在计算各种物理过程的概率方面非常精确。而广义相对论则成功地描述了宏观的引力现象，将引力归因于时空的弯曲。然而，当试图将量子力学的原理应用到引力场时，就会出现一些问题，其中之一就是时空基本对称性在量子引力中的破缺。

破缺的原因

-量子涨落的影响：在量子场论中，真空并不是真正的“空”，而是充满了各种量子场的涨落。在极小的尺度下，这些量子涨落会变得非常剧烈，甚至可能导致时空结构本身的涨落。这种时空的量子涨落会破坏时空的对称性，使得洛伦兹不变性不再严格成立。例如，在普朗克尺度（约10^{-35}米）下，时空的量子涨落可能会导致时空的“泡沫”结构，在这种结构中，不同方向上的物理规律可能会有所不同，从而破缺了洛伦兹不变性所要求的空间各向同性。

- 引力与量子场的相互作用：在量子引力理论中，引力场也被量子化，引力子被认为是传递引力相互作用的量子粒子。当引力子与其他量子场相互作用时，可能会引入一些额外的项，这些项会破坏时空的对称性。例如，在一些量子引力模型中，引力子与物质场的相互作用可能会导致时间和空间的度量发生变化，使得不同惯性参考系之间的变换不再满足洛伦兹变换，从而破缺了洛伦兹不变性。

可能的实验验证

- 超高能宇宙射线观测：超高能宇宙射线是来自宇宙深处的高能粒子，它们的能量极高，可能达到甚至超过普朗克能量。如果时空基本对称性在量子引力中破缺，那么这些超高能宇宙射线在传播过程中可能会表现出一些异常的现象。例如，它们的能谱可能会出现一些不寻常的特征，或者它们在不同方向上的传播速度可能会略有不同。通过对超高能宇宙射线的能谱、到达方向等进行精确观测，可以寻找时空对称性破缺的证据。

- 伽马射线暴观测：伽马射线暴是宇宙中最强烈的天体物理现象之一，它会释放出大量的高能伽马射线。类似于超高能宇宙射线，伽马射线暴中的高能光子在传播过程中也可能受到时空量子结构的影响。如果时空基本对称性破缺，那么不同能量的伽马射线光子可能会有不同的传播速度，导致它们到达地球的时间出现延迟。通过对伽马射线暴中不同能量光子的时间延迟进行精确测量，可以检验时空对称性是否破缺。

对物理学的影响

-对基础物理理论的挑战：时空基本对称性的破缺意味着我们现有的基于洛伦兹不变性的物理理论，如狭义相对论和量子场论，在量子引力的尺度下需要进行修正。这将促使物理学家重新审视这些理论的基础假设，寻找更普遍的物理规律来描述微观和宏观世界的统一。

- 对时空概念的重新思考：传统的时空观念认为时空是一个平滑、连续的背景，物理事件在其中发生。然而，时空基本对称性的破缺暗示着时空在量子引力的尺度下可能具有更为复杂的结构，不再是简单的平滑连续体。这可能会引发对时空本质的重新思考，推动物理学在时空概念上的变革。