我们都知道，构成20世纪现代科学革命的基础科学理论有三个，它们分别是狭义相对论、广义相对论和量子力学。在一百多年前，人们会普遍认为，一些物理学的基本原理一旦被发现，就是永恒不变的。但物理学已经进入了21世纪，今天的人们早已抛弃了那种观点，因为物理学的发展历史告诉我们：几乎所有基础科学理论，不论它多么有用、不论它多么接近自然现象，随着探索自然世界的实验越来越精确，那些所谓的基础理论迟早都会被取代！
青年爱因斯坦
在这篇文章中，小编要向大家介绍两个正在进行中的实验，这两个实验您可能从未听说过，但它们都很重要，因为它们都与狭义相对论有关。无论最终的实验结果是什么，只会产生两个结果：结果一，发现了某种迄今未知的新的稳定的粒子，但证明狭义相对论是完全正确的；结果二，将成为近百年来最重大的发现——狭义相对论不完全正确，光速的不变性和普适性是错误的。首先来说一下进行这两个实验的前因。
爱因斯坦的狭义相对论基于两个假定：第一个是运动的相对性，第二个是光速的不变性和普适性。爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，它首先是被用来描述光的，其最终导致的结果是：我们必须认为光速是一个恒定不变的常数，它与光源或者观察者的运动无关。不论你我如何相对运动，我们都会赋予光子以相同的速度。这是爱因斯坦狭义相对论的基础。那么，在狭义相对论的基础之下，物理学家能做出许多关于基本粒子物理学的预言，其中有一则预言是关于宇宙线的。
科学家在地面上经常能探测到来自宇宙深处的宇宙线与地球大气碰撞所引发的粒子簇射，但谁也不知道宇宙线的来源，只知道它能量巨大，人们曾探测到它们有高于质子质量1000亿倍的能量。要具有如此高的能量，质子必须以0.9999999999倍光速运动，根据狭义相对论，粒子的运动速度不能超过光速。但关键点在于，人们相信宇宙线来自宇宙深处，在到达地球之前，它必定经过了数百万光年甚至数十亿光年的距离，宇宙线所穿越的这个空间并非绝对真空，而是充满着微波背景辐射。
当构成宇宙线的质子能量大于某个特定值时，它将与微波背景辐射中的光子发生相互作用，产生新的粒子——π介子。这种新粒子生成过程需要能量，而能量是守恒的，于是高能质子的运动速度就会慢下来。也就是说，如果质子携带的能量超过生成π介子需要的能量，那么空间对它来说就像是不透明的。于是，空间仿佛就成了一种过滤器，构成宇宙线的质子，只有在能量低于生成π介子需要的能量时才能穿过宇宙空间，如果能量太高，它们会生成π介子，消耗能量减慢速度。这个过程不断重复，直到不能再生成π介子，这就如同宇宙空间为质子规定了一个速度极限。
于是，有三位天才的物理学家基于狭义相对论，分别独立地做出了一个惊人的关于宇宙线的预言——GZK预言（GZK是三人的名字组合）。GZK预言：到达地球的质子的能量，都不会超过以上述方式生成π介子所需要的能量，生成π介子所需要的能量大约是普朗克能量（10^19GeV）的十亿分之一，这个能量值被称为“GZK截断”。在1966年GZK预言发表之后，人们只看到过能量值低于“GZK截断”的宇宙线粒子。但是，最近几年已经制造了几个高精度的仪器，可以探测到等于或超过截断能量的宇宙线粒子，这些实验能够直接地在更高的能量、更接近光速的情况下检验狭义相对论。
其中一个主要的实验在日本进行，名叫“AGASA”（明野巨型空气簇射阵列），目前已报告了至少十多起超过“GZK截断”能量的宇宙线事件，这些事件可能预示着狭义相对论在极端能量下失败了。但是，AGASA实验小组也坦言，因为结果中包含10%的不确定性，所以目前还不能断言狭义相对论在特定能量下破产，但如果不能证明狭义相对论有误，那么已发现的这种超过“GZK截断”能量的宇宙线粒子必定是一种新的粒子，如果是这样，那也是一个极其重大的发现。
对于日本AGASA实验的不确定性，正在进行的另一个实验有望解决这个问题，这就是关于GZK预言的另一个实验——奥格（Auger）宇宙线探测器。这个实验目前正在阿根廷西部的彭巴斯草原上运行，如果奥格宇宙线探测器证明了日本人的观测，那么它将是近百年来最重大的发现，因为人们将眼睁睁地看到，构成20世纪科学革命的基础理论——狭义相对论，第一次失败了。
想了解更多精彩内容，快来关注天文同好乐园
