Теория относительности ученого Эйнштейна прошла строжайшую проверку в истории

Более чем через столетие после формулировки Альберта Эйнштейна его фундаментальное правило о постоянстве скорости света вновь прошло строгую проверку. Теория специальной относительности утверждает, что ничто не может превысить скорость света в вакууме. Современные попытки объединить квантовую механику с гравитацией долгое время допускали возможность небольших отклонений от этого закона. Если пространство-время имеет квантовую структуру, как предполагают некоторые физики, свет, прошедший миллиарды световых лет, мог бы выявить микроскопические нарушения основ теории Эйнштейна.

Новое исследование проверило эти идеи в одних из самых экстремальных условий, и ограничение скорости света оказалось непоколебимым. Международная группа учёных использовала фотоны, пришедшие от отдалённых космических взрывов, чтобы по минимальным различиям во времени их прибытия обнаружить возможные нарушения лоренц-инвариантности — изменения фундаментального закона физики в зависимости от энергии частицы или системы отсчёта. Закон Эйнштейна утверждает, что физические законы одинаковы в любой точке Вселенной и для всех наблюдателей, независимо от их движения.

Вместо этого учёные зафиксировали, что даже при экстремальных условиях свет продолжает следовать космическому пределу скорости. Это сужает возможности для теорий, предполагающих, что квантовая гравитация способна изменять структуру пространства-времени. Результаты опубликованы в журнале Physical Review D. Исследование не исключает, что предел скорости света может быть преодолён при иных обстоятельствах, но показывает, что если существует новая физика за пределами относительности, она скрыта гораздо глубже, чем предполагали многие модели.

Особое внимание уделили вопросу: движутся ли фотоны высокой энергии с той же скоростью, что и низкоэнергетические. Некоторые гипотезы квантовой гравитации предполагают, что пространство-время действует как диспергирующая среда, слегка замедляя или ускоряя фотоны в зависимости от их энергии. На лабораторных расстояниях это влияние невозможно измерить, однако на космологических дистанциях даже минимальные различия накапливаются и могут проявляться в задержках прибытия фотонов.

Исследователи объединили данные разных наблюдений и перевели их в язык Стандартного расширения модели (SME). Эта структура систематизирует все возможные способы нарушения лоренц-инвариантности без привязки к конкретной теории. Учёные пересмотрели литературу, стандартизировали допущения, учли пропущенные факторы и инструментальные погрешности различных обсерваторий, а затем преобразовали результаты в ограничения на коэффициенты SME, отвечающие за энергозависимые изменения скорости фотонов.

Космическими индикаторами для теста стали гамма-всплески, активные ядра галактик и пульсары — одни из самых ярких и мощных объектов во Вселенной. Любые нарушения лоренц-инвариантности должны были проявиться именно в таких условиях. В частности, исследователи подробно изучили гамма-всплеск GRB 221009А 2022 года, который на короткое время перегрузил несколько приборов. Даже здесь не обнаружилось систематических задержек между фотонами высокой и низкой энергии.

Обновлённые ограничения улучшили прежние пределы для параметров, связанных с нарушением лоренц-инвариантности, примерно на порядок величины. Это означает, что любые отклонения от скорости света Эйнштейна — если они существуют — происходят на энергетических уровнях, недоступных современным экспериментам.

Результаты имеют важное значение для исследований квантовой гравитации. Многие кандидаты на теории предсказывают формы нарушения лоренц-инвариантности, особенно около планковской энергии. Новый анализ повышает порог допустимых эффектов и ограничивает целые классы моделей.

В конечном счёте, постоянство скорости света вновь выдержало проверку: фотоны, пролетевшие через миллиарды световых лет и экстремальные условия космоса, подтвердили предел Эйнштейна. Каждое новое подтверждение сужает область поиска новой физики и уточняет методы её потенциального обнаружения.

Читайте также: