在天文观测中寻找由洛伦兹破坏导致的真空双折射现象
（本文为AstroLeaks试稿第13篇，感谢北京大学邵立晶同学的投稿，这是我们收到的第一篇介绍自己工作的投稿，我们也非常愿意把这里作为各位同学交流自己学术工作的平台；欢迎就文章形式，难度，排版等各种问题发表您的意见！）
标题: Lorentz violation induced vacuum birefringence and its astrophysical consequences
作者: Lijing Shao, Bo-Qiang Ma
论文索引: astro-ph:1104.4438
编辑供稿: 邵立晶 ( 北京大学 )
主要背景：
在理论物理中，大家努力追求一种统一，试图用尽量少的参数、用一个相同的理论，来描述各种现象底下的物理规律。经过了几百年的努力，现在的理论物理的框架是标准模型和广义相对论，一个用来描述粒子世界，一个用来描述引力世界。
当然，野心勃勃的理论物理学家自然就想要把两个框架做成一个，即成为 Theory of Everything (TOE)。但是，却遇到了诸多的困难，甚至面临着没有出路的境地——标准模型和广义相对论中的基本假设存在着不可调和的矛盾！这就需要放松某个或者某些假设。洛伦兹对称性破缺的理论出发点正在于此 [2,3,4,5,6,7,9,11,12]。
洛伦兹对称性是用来描述时空的基本对称性的，但有不少“量子引力”的理论却预言了它的微小的破缺，如弦论 [2,3]、圈量子引力 [4]、双狭相对论等 [5,12]；破缺受到普朗克能量的压低。
物理学作为一门实验科学，所有的这些“胆大妄为”的理论都应当接受观测的检验 [2]。可是，洛伦兹破坏的能标如此之高（10^19 GeV），根本就是实验所不可及的。幸运的是，天文中的超长传播距离给我们提供了一个天然的放大的机制 [2,4,6,7,8,10]。
工作介绍：
我们的文章使用 Refs. [4,8] 的框架，在圈量子引力的经典近似下，讨论了光子传播过程中可能出现的真空双折射现象 [1]。真空双折射(Vacuum Birefringence)说的是，由于量子引力的效应，左右旋的光子的传播速度不同。这分为两个内容：群速度的不同与相速度的不同 [1]。前者会导致两种模式到达地球有个时间差 [1,4]，参见图1和图2；而后者，会导致原本极化的光子在传播一段时间后，相位变得混乱，而出现退极化 [1,8]，参见图3。另一方面，天文上对于这两个现象的零观测 (null observation)，可以给予量子引力理论参数一个限制。
Fig.1: 波包到达地球时的双峰现象（see Ref. [1] for details.）
Fig.2: 波包到达地球时的双峰现象，与图1参数不同（see Ref. [1] for details.）
Fig.3: 波包到达地球时的退极化现象（see Ref. [1] for details.）
如，新近出炉的关于天鹅座的 Cygnus X-1 的黑洞的观测中，我们测到了 400 keV – 2 MeV 的伽玛光子的偏振现象，极化度为 67 +/- 30% [14]。通过引入洛伦兹破坏的参数，我们可以看到这样，即使在源处 100% 极化的光子，经过一定传播后，极化度也会下降，见图4。而观测到的极化将给出洛伦兹破坏参数的限制，即给出无量纲的洛伦兹破坏参数要小于 8.7 10^-12。该限制是已知的来自于除伽马射线暴(GRB)外的最好限制，比来自Crab脉冲星 [13,15] 的限制要好两个数量级（see Table I in Ref. [1]）。当然，由于GRB的超远距离的优势，它的限制来得更强些，比我们的好两个数量级 [10]。可是，该GRB的距离是未知的，是通过光谱而推断出来的，所以可信度并不如我们的高。
Fig.4: 即使是在源处 100% 极化的光子，传播到地球时的极化度也会降低，图为谱平均后的线性偏振度随洛伦兹破坏参数 
的变化。Cygnus X-1 给出的限制是 67 +/- 30% [14]，从而把洛伦兹破坏参数限制到了 8.7 10^-12
正所谓“crazy ideas need more firm observations”。洛伦兹破坏理论的兴起与弦论、圈量子引力等不同，它是直接面向实验与观测的。但到现在为止，各个方面都还没有观测到洛伦兹破坏的明确证据。可一旦观测到洛伦兹破坏，这将是我们对于时空认识的又一次革命（recall：牛顿的绝对时空观->狭义相对论的平直洛伦兹时空观->广义相对论的弯曲时空观）。如果洛伦兹破坏观测不到，则是实验对弦论等“量子引力”理论的重大挑战。
参考文献：
A. B. Hill et al., Science 321, 1183-1185 (2008).
[arXiv:0809.0220 [astro-ph]].
首先请允许我Orz…
再问个白痴的问题，造成真空双折射的‘量子引力’的来源是什么？比如说是来自释放光子的黑洞还是来自传播路径上的天体？
尽管我也不懂这个，但我知道文中所说的“造成真空双折射的”是洛伦兹对称性破缺，就是时空本身的不对称性，和黑洞什么的都无关
来源是时空背景的对称性的破缺。
为了给出对‘无量纲的洛伦兹破坏参数’足够的限制，对天体（比如GRB）距离的测量要精确到多少？
不需要精确到多少，距离只要大就行。
你文章里面提到‘可是，该GRB的距离是未知的，是通过光谱而推断出来的，所以可信度并不如我们的高’。还有一个问题就是这个距离是怎么距离？
对啊，由于远近不知，故可信度不如我们的高。这个距离的具体公式是08年JCAP上才给出的：U. Jacob, T. Piran, JCAP 0801, 031 (2008). [arXiv:0712.2170 [astro-ph]].
对高能没什么了解, 问几个小白问题.
零观测 (null observation) 是没有人进行过观测, 还是没有测到明显信号(只能给出上限, non-detection) 的意思?
另外一点, 退极化是否只有真空双折射才能做到? 是否还有其他的物理途径也可以产生类似的退极化的结果?
“远近不知”具体是什么意思? 不知道距离的意思? 我也和边福彦一样, 对这个问题很疑惑. 我大概看了一下JCAP的这篇文章距离公式, 不太理解这个公式/方法比传统的使用光谱红移得到的宇宙学距离(是叫cosmological distance? )的优点在哪里. 为什么可信度不如新方法高?
零观测 (null observation) 是没有人进行过观测, 还是没有测到明显信号(只能给出上限, non-detection) 的意思?
> 这里零观测指观测了，但没有观测到。
另外一点, 退极化是否只有真空双折射才能做到? 是否还有其他的物理途径也可以产生类似的退极化的结果?
> 其它过程也有，如法拉第旋转，但法拉第旋转正比于波长平方，由于这里是gamma-ray，故计算后发现无影响。可见
“远近不知”具体是什么意思? 不知道距离的意思? 我也和边福彦一样, 对这个问题很疑惑. 我大概看了一下JCAP的这篇文章距离公式, 不太理解这个公式/方法比传统的使用光谱红移得到的宇宙学距离(是叫cosmological distance? )的优点在哪里. 为什么可信度不如新方法高?
> 对，GRB041219A不知道距离。新公式考虑了不同模式的光子跑了不同的宇宙（因为宇宙在膨胀），所以在能量依赖的指数上与cosmological distance对1。
师兄威武!
请教,为什么引入洛仑兹破坏之后,即便是完全极化的光源,极化度也会下降?洛仑兹破坏会改变自旋取向?
是会导致左旋与右旋的速度不同，从而等效地，改变了自旋取向。
谢谢师兄指点!
请问这里所指的洛伦兹对称性破坏所指的具体意义是什么? 时空自己的洛伦兹协变性的破坏, 还是某些物理过程的洛伦兹对称性的破坏? 谢谢.
时空的洛伦兹对称性的破缺。
这个太高深了
我已经写得非常科普了，公式都没有放上来，呵呵
关于那个洛伦兹破坏参数，其定义是否依赖于具体的破坏模型？因为文中提到了多种理论都预言了一定程度的洛伦兹破坏。
图4是否只能提供洛伦兹参数的上限，而不能提供有关下限的信息(即使测量误差可以做到很小)？
这里使用的是无量纲的参数，故对模型基本没有依赖。
对，只有上限；尚无任何洛伦兹破坏的迹象。
晶晶V5！！你都开始做量子引力了啊。。。
Gamma光子的偏振观测怎么做的？gamam光子的似乎是光子计数呀.
中途介质/磁场什么的有没有可能改变光子的偏振呢？