愛 因史坦的相對論基於兩個假設，第一是相對論原理，第二是光速不變。但如果違反這兩個假設，整個相對論就會動搖。它是物理學中一個已被證實的理論。違反它將開辟新的可能性，我們可以用不同的方式觀察宇宙的內部運作，並尋求新的理論。
愛因史坦提出了兩種相對論：狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論研究的是慣性系中觀察者之間存在接近光速的相對運動的情況。慣性系指的是沒有外力、沒有加速度，只有恒定的運動速度。而廣義相對論考慮的是加速度的情況，討論的是非慣性參考系。在本文中，我們將探討愛因史坦狹義相對論被違反的可能性。
第二公設——光速不變
愛因史坦第二假設指出，真空中的光速「 c 」在任何參考系中都是相同的。光速既不依賴於觀察者的速度，也不依賴於觀察者移動的方向。
在這幅圖中，我們展示了以太風的概念，以太風被認為是在太空中流動的。我們位於地球上，試圖使用麥可遜-莫立實驗裝置測量地球相對於以太風的速度。
從另一個角度來看，我們也可以理解這個想法。狹義相對論支持四維時空的概念，其中有一維時間和三維空間。光速的恒定性質表明時空具有特定的幾何形狀。這種幾何形狀稱為閔考斯基時空。這種時空具有一種特殊的性質，即事件之間的分離是不變的。我們將分離距離稱為時空格隔。現在變得有趣了，我們可以證明光沿著事件之間分離為零的路徑在時空中傳播。這確保了光速對於所有觀察者來說都必須是恒定的。
以閔考斯基光錐為例，它以圖形方式描繪了時空的結構，以便更好地理解這一思想。圖中的縱軸表示時間，橫軸表示空間。光錐外的事件是空間分離的，表明沒有因果關系，而光錐內的事件是因果相關的，這意味著它們可以相互影響。這個錐體的時空間隔為零，因為光正好繞著它的表面移動。
光錐結構透過說明為什麽光速對於所有觀察者來說都是恒定的，強調了狹義相對論核心的不變性：無論它們如何運動，閔考斯基時空的幾何形狀保證了光路沿線的間隔保持為零。
為什麽光速恒定是必要的
雖然我們已經知道理論和實驗證實了光速是恒定的，但我們現在想了解為什麽光速的恒定性是必然的。這個問題與我們之前提出的問題有點不同。
要理解這一點，我們首先必須掌握因果關系的概念。這就是原因和結果之間的關系。從日常生活中我們知道，原因發生之後我們才能看到與該原因相關的結果。事實上，為了在宇宙中維持因果關系，我們需要光速的恒定性，光速是因果資訊或訊號從一個點傳播到另一個點的最大速度。這個最大速度就是光速。試想一下，如果光速在每個參考系中都不相同，那麽也許在某個參考系中我們會看到結果發生在與該結果相關的原因之前。這將導致因果關系的違背。透過維持因果關系，第二條假設保留了我們宇宙中所有參考系中事件的順序。
我們之前討論過的概念適用於真空中光速恒定的情況。然而，有些量子重力理論，如弦理論和迴圈量子重力，實際上假設在非常高的能量或非常小的尺度上，時空不是平滑的，而是由離散的時空構成的。然而，這一假設會導致違反勞侖茲不變性。在這裏，違反勞侖茲不變性是因為光速取決於光的能量，這進一步與愛因史坦的第二條假設相矛盾。
圖片顯示了Gamma射線爆發，這是一種高能宇宙爆炸，會釋放出強烈的Gamma射線光，通常在遙遠的星系中觀測到。這些爆發是宇宙中已知的最明亮的電磁事件。它們通常與大品質恒星的塌縮或中子星的合並有關，導致粒子噴流以接近光速的速度移動。
透過Gamma射線爆發尋找勞侖茲不變性違反
為了尋找違反愛因史坦第二假設的原因，我們將研究所謂的Gamma射線爆炸。這些是非常強大的爆炸，曾在遙遠的星系中出現過。這些爆發產生的光子需要大約十億光年才能到達地球。如果違反了勞侖茲不變性，那麽高能量光子和低能量光子的速度就會有所不同。由於這些光子來自遙遠的地方，即使它們的速度有一點差異，也會導致不同能量的光子到達時出現可測量的時間延遲。你可以從下面的距離時間公式中了解到這個概念。在這裏，你可以看到，即使光子速度有一點差異，也會導致明顯的時間差異。
從時間上的差異，我們可以看到愛因史坦第二假設的違反。我們會觀察到光子以不同的速度到達。2022 年，科學家觀測到最亮的Gamma射線爆發，名為 GRB 221009A。整個事件在一個距離數十億光年的遙遠星系中持續了 10 秒。在地球上，該事件可觀測 10 小時。這次爆發的光子傳播了數十億光年。從這次爆發中，我們可以檢查極高能階下勞侖茲不變性的違反情況。
為了實作這一目標，中國大型高海拔空氣簇射觀測站的研究人員開始研究Gamma射線爆發的余輝。該觀測站的水切倫科夫探測器陣列被定位以捕捉來自 GRB 221009A 的爆發。然而，他們觀察到，所有光子，無論其能量如何，都是同時從數十億光年外到達的。因此，沒有違反勞侖茲不變性。
如果勞侖茲不變性被違反，那麽我們對時空和量子重力的理解將會發生改變。這也將導致狹義相對論在高能或普朗克尺度上失效。這也將進一步證實普朗克尺度上時空的離散性質。
未來，科學家計劃研究Gamma射線爆發的初始極高能階段。如果存在違反勞侖茲不變性的現象，則此階段的極高能光子將揭示速度的任何微小差異。此前，他們專註於爆發的余輝，這是一種在初始爆炸後發生的更長時間的發射，主要包含低能光子，因此不太適合檢測違反勞侖茲不變性的現象。我們仍然希望科學家將繼續調查和解決這些問題。
