光学：光子的能量与动量
2022年10月9日，全球多台天文望远镜同时记录到一场来自20多亿光年外的伽马射线暴，编号GRB 221009A。在随后数月的数据分析中，科学家从这场爆炸的余晖里提取出一个能量约300万亿电子伏特（TeV）的光子——这是迄今观测到的伽马射线暴光子中能量最高的一个。
按照现有物理学理论，这个光子本不该出现在地球上的探测器中。宇宙中遍布着大爆炸留下的宇宙微波背景辐射，能量如此之高的光子在穿越20多亿光年时空的过程中，极易与这些背景辐射中的光子发生相互作用，转化为其他粒子。换言之，它应该在抵达地球之前就“消失”了。
[IMG:1]意大利国家天体物理研究所和国家核物理研究所团队近日提出一种新的理论模型，试图解释这个“不该抵达”的光子为何能够穿越如此遥远的距离。相关研究已获《物理评论快报》接收。
此前，有科学家猜想光子在传播过程中可能暂时转化为轴子样粒子（ALP）。这种假想粒子不容易受到宇宙背景辐射影响，可帮助光子避开沿途“障碍”，接近银河系后再重新转化为光子。但这一机制能够解释的光子能量有限，仍不足以说明300 TeV光子为何能够抵达地球。
此次，团队将目光投向极端高能条件下时空本身的行为方式。部分量子引力理论认为，在极高能量下，爱因斯坦狭义相对论中的洛伦兹不变性可能发生轻微偏离。这种变化可能让超高能光子与宇宙背景辐射发生相互作用的概率降低，使宇宙在极端高能下变得更加“透明”。借助这一机制，300 TeV光子便可能避开原本足以让它消失的相互作用，穿越20多亿光年抵达地球。
[IMG:2]该模型用一种解释同时说明了两个不同现象：迄今观测到的伽马射线暴中能量最高的光子为何能够穿越20多亿光年抵达地球，以及它为何比低能光子晚约1小时到达。团队计算发现，在这一模型下，能量约300 TeV的光子应比低能光子晚约1小时抵达地球。来自中国“拉索”（高海拔宇宙线观测站）的观测结果显示，两者的到达时间确实相差约1小时。
据公开信息，“拉索”位于四川稻城海子山，海拔4410米，是我国自主设计建造的高海拔宇宙线观测站，于2021年通过国家验收并投入科学运行。此次GRB 221009A的观测中，“拉索”记录了伽马射线暴光子到达的时间信息，为检验上述理论模型提供了关键数据。
不过，这一结果目前只是对理论情景的支持。研究团队表示，未来仍需更多观测来检验这一解释。若该模型最终被证实，将意味着在极端高能条件下，时空的行为方式可能不同于爱因斯坦相对论所描述的情况——而这，或许只是宇宙向人类展露的又一层未被揭开的真相。
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