Скоростта на светлината наистина е неизменна: физиците използваха мощни експлозии, за да проверят теорията на относителността

Ако Специалната теория на относителността има „свещена крава“, то това е принципа на инвариантност на Лоренц. Той диктува строги правила на играта: физиката е симетрична, а скоростта на светлината (c) е твърда граница, еднаква както за слабия радиосигнал, така и за най-мощния гама-квант. Дълго време това се смяташе за аксиома, която не изисква доказателства. Ново изследване обаче тества дали тази съвършена теория дава пукнатина при екстремните енергии.

Новото изследване, публикувано във Physical Review D, съчетава десетилетия данни от наблюдения на най-мощните експлозии във Вселената, за да отговори на един въпрос: зависи ли скоростта на фотона от неговата енергия? Авторите на статията не само проверяват теорията на Айнщайн, но и създават математически мост между наблюдателната астрофизика и сложните теоретични модели на квантовата гравитация.

Какъв е проблемът на съвременната физика?

Фундаменталният проблем на науката се състои в конфликта на двата ѝ основни стълба: теорията на Айнщайн за гравитацията и квантовата теория на полето. Те описват различни мащаби на реалността и си противоречат, когато се опитват да ги обединят. За да създадат единна „Теория на всичко“, физиците изказват хипотезата, че пространството е дискретно. Предполага се, че при екстремни нива на енергия (около 1019 GeV) тъканта на Вселената губи своята непрекъснатост и проявява гранулирана структура.

Ако това е така, тогава принципът на Лоренцовата инвариантност би трябвало да е нарушен. На практика това би означавало, че високоенергийните фотони взаимодействат с тази гранулообразна структура на вакуума по различен начин, в сравнение с нискоенергийните. В резултат на това тяхната групова скорост ще бъде различна от c.

Хипотезата е проста: Ако „тежък“ (гама) и „лек“ (радио) фотон бъдат освободени по едно и също време, те ще пристигнат на финала по различно време, ако инвариантността на Лоренц е нарушена.

Астрофизиката като гигантски колайдер

Ефектът от промяната на скоростта е пренебрежимо малък. Невъзможно е да бъде забелязан в лабораторни условия. Въпреки това Вселената ни предоставя идеален полигон за тестване. Ако фотоните са пътували до нас в продължение на милиарди години, дори микроскопичната разлика в скоростта ще се натрупа и ще се превърне в измеримо забавяне на пристигането.

Изследователите използват три вида източници:

1. Гама-изригвания: кратки, катастрофални изблици на енергия.
2. Активни галактически ядра: свръхмасивни черни дупки, които изхвърлят струи плазма.
3. Пулсари: бързо въртящи се неутронни звезди.

Проблемът на „Вавилонската кула“ в данните

Досега в тази област цареше хаос. Наблюдателните астрофизици обикновено изчисляват простия параметър E_QG – ефективната енергийна скала на квантовата гравитация. Ако E_QG клони към безкрайност, тогава теорията на Айнщайн е правилна.

Теоретиците обаче, особено групата на Алън Костелеки, са разработили разширение на стандартния модел (STO). Това е сложна теория на полето, която описва нарушаването на симетрията чрез набор от коефициенти. За разлика от простия параметър E_QG, STO взема предвид, че нарушението може да бъде анизотропно – т.е. зависи от посоката, от която е дошъл фотонът.

Основното достойнство на новата научна работа: авторите са разработили строг математически алгоритъм за преобразуването на простите наблюдателни данни (E_QG) в комплексните коефициенти на сферичните хармоници на STO. Това позволява да се обединят разнородните наблюдения в единна картина.

Какво точно са направили учените?

1. Стандартизиране на данните: те са взели резултатите от наблюденията на GRB и блазарите през последните 20 години и са ги преизчислили. Оказало се, че в много от предишните работи са пренебрегнати важни предварителни фактори (като множителя (n+1)/2 в уравнението за груповата скорост) или неправилно са оценени систематичните грешки на инструментите (като Fermi-LAT или LHAASO).
2. Отчитане на посоките: тъй като Вселената може да бъде „пречупена“ асиметрично, данните от източник на север и източник на юг не могат просто да бъдат осреднени. Авторите разлагат данните на сферични хармоници, за да тестват всеки сектор на небесната сфера.
3. Факторът LHAASO: в анализа е включено безпрецедентното събитие GRB 221009A, регистрирано от обсерваторията LHAASO. Това избухване даде най-строгите ограничения до момента, като подобри чувствителността на метода с един и половина порядъка.

Заключение: Айнщайн остава прав (засега)

Резултатите от анализа са разочароващи за привържениците на „новата физика“, но триумфални за класическата теория.

Не са открити никакви забавяния. В рамките на грешката на измерването фотоните с всякаква енергия се движат с една и съща скорост.

Точността на ограниченията се е увеличила 10 пъти. Новите данни позволиха да се ограничат коефициентите, описващи нарушаването на симетрията на пространството, с един порядък по-точно.

Значението на геометрията. Изследването показа, че едно-единствено събитие, дори и най-мощното (като GRB 221009A), не е достатъчно. За да се изключат напълно анизотропните ефекти, е необходима мрежа от наблюдения, обхващаща цялото небе. Едно-единствено събитие оставя слепи петна в коефициентите на СТО.

Изводът?

Получихме строго потвърждение, че пространство-времето (поне за фотоните) остава изотропно и се подчинява на законите на Специалната теория на относителността до енергии, сравними с мащаба на Планк.

Вместо да откриват грешки в основата на физиката, учените още веднъж потвърдиха нейната точност. Сега, за да опровергаят Айнщайн, теоретиците на квантовата гравитация ще трябва да търсят ефекти на още по-дълбоки, почти недостижими нива на реалността. Или да изчакат новите телескопи на Черенков (CTA) да уловят още по-мощно избухване на гама-лъчи, което вероятно отново ще бъде на страната на Айнщайн.