光子总是以光速传播并遵循相同的自然法则，无论他们的精力。如果某些量子引力或弦论模型是正确的，则超过某个能量阈值的光子将在通过宇宙传播时衰减。HAWC的合作团队刚刚对此进行了测试，发现没有这样的界限。
爱因斯坦给我们留下的最大的科学遗产是：光速和物理定律，对于宇宙中的所有观察者来说都是一样的。无论您身在何处，移动的速度或方向，或执行测量的时间，每个人都会遵循相同的自然基本规则。以此为基础的对称性，洛伦兹不变性，是永远不能违背的对称性。
但是，许多超出标准模型和广义相对论的想法，例如弦论或量子引力的大多数表现形式，都可能破坏这种对称性，从而对我们对宇宙的观察产生后果。由HAWC合作的一项新研究于2020年3月30日发布，该研究对有史以来洛伦兹不变性违规提出了最严格的约束，对理论物理学具有令人着迷的意义。
统一的想法认为，所有三个标准模型力，甚至重力在更高能量下，被统一在一个框架中。这个想法是有力的，已经引起了很多研究，但是这是一个完全未经证实的猜想。在更高的能量下，引力的量子理论可能会统一所有力。但是，这种情况通常会对严格限制的可观察到的低能现象产生影响。
我们关于宇宙的最佳物理理论是描述基本粒子及其之间的核和电磁相互作用的标准模型，以及描述时空和引力的广义相对论。尽管这两种理论完美地描述了现实，但它们并不完整：例如，它们没有描述引力在量子水平上的行为。
物理学家的希望-有人称其为终极梦想或“圣杯”-是存在引力的量子理论，并且当我们发现它时，它将在一个单一的框架下统一所有宇宙力。 。但是许多提议的量子引力框架，包括弦论，都可以打破对于标准模型和广义相对论都很重要的基本对称性：洛伦兹不变性。
不同的参照系，包括不同的位置和动作，将看到不同的定律如果理论不是相对论不变的，那么物理学将无法达成共识（并且在现实中会意见分歧）。我们在“加速”或速度变换下具有对称性这一事实告诉我们，我们有一个守恒的量：线性动量。理论在任何形式的坐标或速度变换下都不变的事实称为洛伦兹不变性，任何洛伦兹不变对称性都可以保持CPT对称性。但是，C，P和T（以及CP，CT和PT的组合）可能会分别受到侵犯。
洛伦兹不变性是具有丰富术语的物理学术语之一，但含义很简单：无论在何处或何时进行测量，自然定律都是相同的。无论您是在这里还是十亿光年远，都没关系；无论是现在还是数十亿年前或未来数十亿年进行测量，都没有关系。静止不动或接近光速都没关系。如果您的法律不关心您的位置或动作，那么您的理论就是洛伦兹不变式。
标准模型恰好是洛伦兹不变式。广义相对论恰好是洛伦兹不变式。但是许多量子引力的化身只是近似洛仑兹不变的。要求其破裂的对称性或者是仅在高能级出现的新物理才使它破裂。尽管低能宇宙被认为是Lorentz不变的，但在粒子对撞机（如LHC）上的直接搜索受到它们可以探测到的能量的严重限制。
CERN的鸟瞰图，大强子对撞机的周长（共27公里）概述。以前，该隧道用于容纳电子-正电子对撞机LEP。LEP处的粒子比LHC处的粒子运行得快得多，但是LHC质子所携带的能量远远大于LEP电子或正电子。在大型强子对撞机上进行了强烈的对称性测试，但光子能量远低于宇宙产生的能量。
在物理学中，我们通常以电子伏特（eV）或为单个电子提供1伏电势所需的能量数量来测量能量。在粒子物理学中，我们将事物加速为高能，因此根据我们达到的能量，以GeV（十亿电子伏特）或TeV（一万亿电子伏特）进行测量。LHC的能量约为每个粒子7 TeV，但这仍然非常有限。
通常，当物理学家谈论最高能量尺度时，他们所谈论的是理论上的大尺度尺度，弦尺度或普朗克尺度，而最后一个则是目前已知的物理学定律所分解的地方。它们在10 15 GeV 和10 19 GeV之间，或者是LHC能量的一万亿倍以上。大型强子对撞机是制造许多约束的好工具，但它在测试可能违反洛伦兹不变性的量子引力模型方面做得相对较差。
脉冲星云，就像这里用X射线和光学光描绘的蟹状星云一样，也是 不仅可以测量非常高能量的粒子，而且还可以测量非常高能量的伽玛射线的来源，这些伽马射线可以被测量并用于限制对标准模型的某些可能的扩展。
但是，天体物理学为我们提供了一个实验室，可以进行探测，远远超出了大型强子对撞机或任何基于地球的物理实验可能提供的范围。宇宙射线形式的单个粒子已被发现能量超过10 11 GeV。超新星，脉冲星，黑洞和活跃的银河核等天体物理学现象所创造的条件比我们的实验室所能提供的极端，爆炸性和充满活力的条件要多得多。
而且，也许最引人注目的是，这些粒子需要覆盖的天体距离确保我们不会在很小的几分之一秒的时间范围内测量其特性，而是在无数的光年中它们需要移动才能达到我们的眼睛。高能粒子经过天文距离传播的这种组合，为我们提供了前所未有的实验室来测试这些洛伦兹不变性，这违反了量子引力和弦论模型所激发的思想。
量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。对经典引力的量子校正显示为循环图，如此处白色所示。标准模型中规定的许多对称性只能是量子引力理论中的近似对称性。
我们可以执行的一项特别好的测试是观察光子-穿过整个宇宙的光的量子。如果洛伦兹不变性是一个完美的，精确的对称性，那么所有能量的所有光子都应均匀地传播通过宇宙，甚至跨越宇宙距离。但是，如果违反了这种对称性，即使它处于超高能级，也远远超过了那些光子的能量，那么高于特定能量阈值的光子也会衰减掉。
在标准粒子物理学中，每次相互作用都必须同时保留能量和动量。两个光子可以自发地相互作用并产生一个电子-正电子对，但是一个光子不能自己做到这一点。如果我们要求保存能量，那么保存动量的唯一方法就是发挥额外的作用。
两个光子可以碰撞，产生一个电子-正电子对，或者一个电子-正电子对可以相互作用，产生两个光子。但是您不能仅从一个光子获得一对，因为那样会违反能量动量守恒。但是，在违反洛伦兹不变性的情况下，这种光子衰减是不被禁止的。
但是，如果违反了洛伦兹不变性，我们就不必精确地保持动量。仅约。如果引起这种违反的新效应在很高的能量范围内发挥作用，这意味着即使是能量较低的光子，也很有可能会经历违反洛伦兹不变性的衰变。这种影响很小，但是在数千光年或更长时间的距离内，光子超过某个能量阈值的概率应降至零。
天文学家用来测量这些高能伽马射线光子的最先进的工具之一是HAWC：高空切伦科夫水文观测台。精确测量这些非常高能量的光子-高于10 TeV甚至100 TeV的光子，大约是LHC可以产生的光子能量的100倍-可以提供有史以来最强的Lorentz不变性搜索。
该复合图形显示了超高能伽马射线中的天空视图。箭头指示来自我们银河系内能量超过100 TeV的四种伽玛射线源（由HAWC合作提供）强加于HAWC天文台的300个大型水箱的照片上。储罐内装有灵敏的光探测器，可测量由伽马射线照射到超过10英里高处的大气而产生的粒子喷淋。
HAWC合作在其最新出版物中宣布，从银河系中的四个独立来源检测到大量的这些高能光子：所有这些都与脉冲星云相关，脉冲星云是超新星的残余物，能加速来自周围物质富集的物质地区。
如果洛伦兹不变性成立，则来自这些脉冲星的这些光子应具有连续光谱，而其能谱中没有硬截止（即陡峭的下降和衰减）。但是，如果违反了洛伦兹不变性，则在超过特定阈值时，光子数应该下降：取决于特定的洛伦兹不变性违规情形，其光子数应降至其期望值的0或50％。但是HAWC所看到的精度几乎是以前任何测量方法的100倍，完全表明没有违反。
HAWC观察到的四个不同脉冲星遵循彩色实线（最适合），以表示它们的光子能谱，不确定性轮廓以阴影显示。排除了用虚线显示的违反洛伦兹不变性的情况。
令人着迷的是，该结果对允许发生Lorentz不变性的能量规模设置了限制。根据最新的HAWC结果，我们可以得出结论，在2.2×10 31 eV 的能量范围内，没有违反这种对称性：接近普朗克能量范围的2,000倍。
重要的是，这远高于弦论，量子引力或任何其他带有Lorentz不变性违规的奇特的超出标准模型物理场景的能级。将来，更高的能量仪器可能会施加更严格的约束：可能会违反洛伦兹的耦合和能量规模都将受到限制，未来的限制会随着所观察到的光子能量的增加而上升。
拟议的南部广域伽玛射线天文台（SWGO）可以覆盖的能量范围远远超出HAWC可以达到的范围；能量乘以10的改善将转化为可以限制Lorentz不变性的尺度的1000的改善。
当然，总会有一些理论上的扭曲可以被创造出来，以仍然允许洛伦兹不变性的违反。它可能发生在比我们设定的约束高得多的能源规模上，比普朗克规模高数千倍。它可能涉及到非常小的耦合，这将放松能量约束。或者它可能涉及不同于我们通常假设的不同类型（例如，腔内）的洛伦兹不变性违规。
但是事实仍然是，这些基于光子的约束条件告诉我们，如果像弦论这样的量子引力候选者引入了一种洛伦兹不变性违反类型，就像许多一样，它们预测了光子衰变的天体特征，那么它们现在将受到约束甚至被排除在外。通过这组新的观察。物理定律在任何地方，任何时候实际上都是相同的，对标准模型和广义相对论的任何扩展都必须考虑这些新的，强大的限制。