Скорость света действительно неизменна: физики использовали мощнейшие взрывы для теста теории относительности

Если у Специальной теории относительности и есть «священная корова», то это принцип лоренц-инвариантности. Он диктует жесткие правила игры: физика симметрична, а скорость света (с) — это жесткий предел, одинаковый для слабого радиосигнала и мощнейшего гамма-кванта. Долгое время это считалось аксиомой, не требующей доказательств. Однако новое исследование проверяет, не дает ли эта идеальная теория трещину на экстремальных энергиях.

Новое исследование, опубликованное в Physical Review D, объединяет данные за десятилетия наблюдений за самыми мощными взрывами во Вселенной, чтобы ответить на один вопрос: зависит ли скорость фотона от его энергии? Авторы работы не просто проверили теорию Эйнштейна, но и создали математический мост между наблюдательной астрофизикой и сложными теоретическими моделями квантовой гравитации.

В чем проблема современной физики?

Фундаментальная проблема науки заключается в конфликте двух её главных столпов: теории гравитации Эйнштейна и квантовой теории поля. Они описывают разные масштабы реальности и противоречат друг другу при попытке объединения. Чтобы создать единую «Теорию всего», физики выдвигают гипотезу о дискретности пространства. Предполагается, что на экстремальных энергетических уровнях (около 10¹⁹ ГэВ) ткань мироздания теряет непрерывность и проявляет зернистую структуру.

Если это так, то принцип лоренц-инвариантности должен нарушаться. На практике это означало бы, что высокоэнергетические фотоны взаимодействуют с этой зернистостью вакуума иначе, чем низкоэнергетические. В результате их групповая скорость будет отличаться от c.

Гипотеза проста: Если выпустить одновременно «тяжелый» (гамма) и «легкий» (радио) фотон, то при нарушении лоренц-инвариантности они придут к финишу в разное время.

Астрофизика как гигантский коллайдер

Эффект изменения скорости ничтожно мал. Заметить его в лаборатории невозможно. Однако Вселенная предоставляет нам идеальный полигон. Если фотоны летят к нам миллиарды лет, даже микроскопическая разница в скоростях накопится и превратится в измеримую задержку прибытия.

Исследователи используют три типа источников:

1. Гамма-всплески: короткие, катастрофические выбросы энергии.
2. Активные ядра галактик: сверхмассивные черные дыры, выбрасывающие джеты плазмы.
3. Пульсары: быстро вращающиеся нейтронные звезды.

Проблема «Вавилонской башни» в данных

До сих пор в этой области царил хаос. Астрофизики-наблюдатели обычно рассчитывали простой параметр E_QG — эффективный энергетический масштаб квантовой гравитации. Если E_QG стремится к бесконечности, значит, теория Эйнштейна верна.

Теоретики же, в частности группа Алана Костелецкого, разработали Расширение Стандартной Модели (СТО). Это сложная полевая теория, которая описывает нарушения симметрии через множество коэффициентов. В отличие от простого параметра E_QG, СТО учитывает, что нарушение может быть анизотропным — то есть зависеть от направления, откуда прилетел фотон.

Главная заслуга новой работы: авторы разработали строгий математический алгоритм конвертации простых наблюдательных данных (E_QG) в сложные коэффициенты СТО сферических гармоник. Это позволило объединить разрозненные наблюдения в единую картину.

Что именно сделали ученые?

1. Стандартизация данных: они взяли результаты наблюдений GRB и блазаров за последние 20 лет и пересчитали их. Выяснилось, что многие предыдущие работы игнорировали важные предфакторы (например, множитель (n+1)/2 в уравнении групповой скорости) или некорректно оценивали систематические ошибки приборов (таких как Fermi-LAT или LHAASO).
2. Учет направления: поскольку Вселенная может быть «сломана» несимметрично, данные от источника на севере и источника на юге нельзя просто усреднять. Авторы разложили данные по сферическим гармоникам, чтобы проверить каждый сектор небесной сферы.
3. Фактор LHAASO: в анализ включили беспрецедентное событие GRB 221009A, зафиксированное обсерваторией LHAASO. Этот всплеск дал самые жесткие ограничения на сегодняшний день, улучшив чувствительность метода на полтора порядка.

Вердикт: Эйнштейн по-прежнему прав (пока)

Результаты анализа неутешительны для сторонников «новой физики», но триумфальны для классической теории.

• Никаких задержек не обнаружено. В пределах погрешности измерений фотоны всех энергий движутся с одинаковой скоростью.
• Точность ограничений выросла в 10 раз. Новые данные позволили на порядок строже ограничить коэффициенты, описывающие нарушение симметрии пространства.
• Важность геометрии. Исследование показало, что одного, даже самого мощного события (как GRB 221009A), недостаточно. Чтобы полностью исключить анизотропные эффекты, необходима сеть наблюдений, покрывающая всё небо. Одиночное событие оставляет слепые пятна в коэффициентах СТО.

Итог?

Мы получили строгое подтверждение, что пространство-время (по крайней мере, для фотонов) остается изотропным и подчиняется законам Специальной теории относительности вплоть до энергий, сопоставимых с планковскими масштабами.

Вместо того чтобы найти ошибки в базисе физики, ученые в очередной раз подтвердили его точность. Теперь, чтобы опровергнуть Эйнштейна, теоретикам квантовой гравитации придется искать эффекты на еще более глубоких, почти недостижимых уровнях реальности. Или же ждать, пока новые черенковские телескопы (CTA) поймают еще более мощный гамма-всплеск, который, скорее всего, снова будет на стороне Эйнштейна.

Источник: Physical Review D