用脈沖星計時精确檢驗時空基本對稱性

beat365理論物理研究所馬伯強教授指導下的直博生邵立晶，受國家留學基金委（China Scholarship Council）資助于德國馬克斯-普朗克射電天文研究所（Max Planck Institut fuer Radioastronomie）期間，用脈沖星計時手段，對引力相互作用中的時空對稱性做了一系列的研究。他和合作者提出了新的檢驗方法，給出了引力中洛倫茲對稱性和局域位置不變性的最嚴格的限制；這些限制，相比于原先的限制有了量級上的改進，促進了引力實驗領域實質性的進展。相關文章發表于Classical and Quantum Gravity[1,2,3]和Physical Review Letters[4]上，其中文章[1,2,3]為雜志總主編推薦發表，文章[1]被英國物理學會出版社（IOP Publishing）評為2012-2013年度高亮文章。

在現代物理框架中，引力由廣義相對論描述，但把它拓展到量子領域仍舊存在着基本的困難，我們還缺少一套最終的量子引力理論。根據量子引力的候選模型的預言，引力相互作用中可能存在着基本的時空對稱性——洛倫茲對稱性的破壞，引力實驗将依賴于實驗室的位置與速度。現有的兩套模型無關地描述引力中洛倫茲對稱性破壞的理論框架是“參數化的後牛頓框架”（Parameterized post-Newtonian formalism；PPN）和“标準模型拓展”（Standard-model extension；SME）。

邵立晶同學和合作者詳細研究了在PPN框架下的單星自旋演化行為和雙星軌道動力學行為。他們意識到，利用脈沖星的非常精準的信号信息，可以對單星的自旋演化和雙星的軌道動力學進行精确的研究，從而限制PPN框架中描述洛倫茲對稱性破壞和局域位置不變性破壞的參數。通過對真實的觀測數據的分析，他們給出的新限制比原先的限制有了量級上的提高[1,2,3]。在未來，他們提出的新方法比原先的方法能有更快的改進和更好的前景。

在文章[4]中，邵立晶利用13顆計時精準的脈沖星，形成一個“脈沖星陣列”，對SME中描述引力洛倫茲對稱性破壞的張量真空期望值矩陣做了全局化的限制。他的詳細計算結果給出了洛倫茲對稱性破壞矩陣的全新限制。這是第一次利用脈沖星計時實驗檢驗SME框架中引力的洛倫茲對稱性，所得結果比原先的月球測距實驗與冷原子幹涉儀實驗的結果有了量級上的提高。

這些研究結果從實驗的角度表明，在很高的精度上，引力相互作用中不存在洛倫茲對稱性的破壞和局域位置不變性的破壞。但由于引力是自然界最重要的相互作用之一，人們将持續對它進行更深入更精準更全面的檢驗。

[1] Shao & Wex, Class. Quantum Grav. 29 (2012) 215018. [arXiv:1209.4503]

[2] Shao et al., Class. Quantum Grav. 30 (2013) 165019. [arXiv:1307.2552]

[3] Shao & Wex, Class. Quantum Grav. 30 (2013) 165020. [arXiv:1307.2637]

[4] Shao, Phys. Rev. Lett. (2014) in press. [arXiv:1402.6452]