用脉冲星计时精确检验时空基本对称性

威廉希尔williamhill官网理论物理研究所马伯强教授指导下的直博生邵立晶，受国家留学基金委（China Scholarship Council）资助于德国马克斯-普朗克射电天文研究所（Max Planck Institut fuer Radioastronomie）期间，用脉冲星计时手段，对引力相互作用中的时空对称性做了一系列的研究。他和合作者提出了新的检验方法，给出了引力中洛伦兹对称性和局域位置不变性的最严格的限制；这些限制，相比于原先的限制有了量级上的改进，促进了引力实验领域实质性的进展。相关文章发表于Classical and Quantum Gravity[1,2,3]和Physical Review Letters[4]上，其中文章[1,2,3]为杂志总主编推荐发表，文章[1]被英国物理学会出版社（IOP Publishing）评为2012-2013年度高亮文章。

在现代物理框架中，引力由广义相对论描述，但把它拓展到量子领域仍旧存在着基本的困难，我们还缺少一套最终的量子引力理论。根据量子引力的候选模型的预言，引力相互作用中可能存在着基本的时空对称性——洛伦兹对称性的破坏，引力实验将依赖于实验室的位置与速度。现有的两套模型无关地描述引力中洛伦兹对称性破坏的理论框架是“参数化的后牛顿框架”（Parameterized post-Newtonian formalism；PPN）和“标准模型拓展”（Standard-model extension；SME）。

邵立晶同学和合作者详细研究了在PPN框架下的单星自旋演化行为和双星轨道动力学行为。他们意识到，利用脉冲星的非常精准的信号信息，可以对单星的自旋演化和双星的轨道动力学进行精确的研究，从而限制PPN框架中描述洛伦兹对称性破坏和局域位置不变性破坏的参数。通过对真实的观测数据的分析，他们给出的新限制比原先的限制有了量级上的提高[1,2,3]。在未来，他们提出的新方法比原先的方法能有更快的改进和更好的前景。

在文章[4]中，邵立晶利用13颗计时精准的脉冲星，形成一个“脉冲星阵列”，对SME中描述引力洛伦兹对称性破坏的张量真空期望值矩阵做了全局化的限制。他的详细计算结果给出了洛伦兹对称性破坏矩阵的全新限制。这是第一次利用脉冲星计时实验检验SME框架中引力的洛伦兹对称性，所得结果比原先的月球测距实验与冷原子干涉仪实验的结果有了量级上的提高。

这些研究结果从实验的角度表明，在很高的精度上，引力相互作用中不存在洛伦兹对称性的破坏和局域位置不变性的破坏。但由于引力是自然界最重要的相互作用之一，人们将持续对它进行更深入更精准更全面的检验。

[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]