科學最偉大的一個地方就在于我們會不懈地對假設進行檢驗。即使有些現(xiàn)象早已經(jīng)被嚴格的驗證了許多遍，但我們總是會不斷地把實驗或觀測推向極限。例如，最近科學家在洛倫茲對稱性進行的一項實驗。

1905年，愛因斯坦在題為《論運動物體的電動力學》的論文中首次提出了狹義相對論的兩個基本假設：一個是相對性原理，一個是光速不變原理。在過去的100多年中，狹義相對論經(jīng)受了所有實驗的考驗。

從本質上說，狹義相對論是一種關于自然界時空對稱性的理論。它描述了時空的基本對稱性，稱之為洛倫茲對稱性。相對性原理的實質就是洛倫茲對稱性的不變性，光速不變的實質就是光速成為洛倫茲對稱性的最基本的不變量。

就目前而言，光速在任何方向或宇宙中的任何地方都是一樣的。這是洛倫茲對稱性的一個性質。如果洛倫茲對稱性被破壞了，那么相對論就需要修正。

大多數(shù)科學家都同意廣義相對論和粒子物理學的標準模型并不是最終的理論。在眾多統(tǒng)一理論中，比如弦理論、圈量子引力和非對易量子場論中，都預言了洛倫茲對稱性的微小的破缺。因此對洛倫茲不變性的精確檢驗會指向一條通往正確的統(tǒng)一理論模型的道路。

為了尋找洛倫茲對稱性破壞的跡象，巴黎天文臺和加州大學洛杉磯分校的一個聯(lián)合物理團隊分析了44年來月球激光測距（LLR）實驗的數(shù)據(jù)。LLR使用了激光雷達測量地球和月球之間的距離。通過在地球上的激光瞄準在月球上的復歸反射器，可以測量激光來回所需要的時間，這大約是2.5秒。

1969年，在阿波羅11號任務中，宇航員在月球留下了這個復歸反射鏡。天文學家在地球上的各地通過反射激光精確的測量了地月之間的距離。（圖片來源：NASA/NASA Apollo Archive, Public Domain）

在這項新的研究中，研究人員分析了1969年和2013年之間超過20000次激光來回的數(shù)據(jù)。激光來回傳播的時間會被多項因素所影響，從在天空中月球的位置，到天氣和潮汐，以及相對論效應——這對檢驗洛倫茲對稱性特別重要。

為了在洛倫茲對稱的背景下分析LLR的數(shù)據(jù)，研究人員首次發(fā)展了一個“月球歷表”，這個模型考慮了一系列的因素，用來計算在任何時間，月球相對于地球的預估位置、速度和方向。這個月球歷表的框架來自標準模型擴充（SME），該理論是一個低能有效場論，試圖統(tǒng)一廣義相對論和粒子物理學的標準模型，并允許洛倫茲對稱性破缺。

SME引入了許多張量場作為背景與標準模型給出的夸克，輕子及規(guī)范玻色子相互作用，從而可能導致許多新的現(xiàn)象，比如光子的真空衰變、極高能中子的Beta衰變禁戒、光子真空極化方向的偏轉等。這些新引進的張量場作為待定參數(shù)，由實驗測定。由于狹義相對論在過去的粒子物理實驗中得到了精度極高的檢驗，我們期待這些自由參數(shù)會非常小。通過實驗只能給出上限，因此檢測洛倫茲破壞的實驗精度要求非常高。

這是首次在SME的框架下建立地月系統(tǒng)的全球模型。也就是說SME的運動方程被包含在歷表中。這可以使研究人員對SME的系數(shù)做出強有力的限制。通過分析發(fā)現(xiàn)LLR的數(shù)據(jù)只對特定SME系數(shù)的結合敏感，但沒有發(fā)現(xiàn)任何洛倫茲對稱性破壞的證據(jù)。由于此次分析的數(shù)據(jù)之龐大，該結果要比先前任何的實驗對SME系數(shù)做出了更強的限制。對系數(shù)限制的進步意味著如果存在洛倫茲對稱性破壞的話，也都必須非常的小。

未來研究人員會繼續(xù)利用其它的天文數(shù)據(jù)尋找洛倫茲對稱性破壞的跡象。

相對論再次通過了檢驗。