Скорость света действительно неизменна: физики использовали мощнейшие взрывы для теста теории относительности
Почему Эйнштейн снова победил: проверка скорости света на экстремальных энергиях
У специальной теории относительности есть «священная корова» — принцип лоренц-инвариантности. Он диктует: скорость света одинакова для радиосигнала и гамма-кванта. Долгое время это было аксиомой. Но теоретики квантовой гравитации подозревают, что на планковских энергиях (10¹⁹ ГэВ) пространство становится зернистым. Если так, фотоны разной энергии могут двигаться с разной скоростью. Новое исследование проверило эту гипотезу. Итог — Эйнштейн снова прав.
Астрофизика как гигантский ускоритель
Эффект изменения скорости ничтожен. В лаборатории его не заметить. Но Вселенная позволяет накапливать микроскопические задержки за миллиарды световых лет. Исследователи используют три типа источников:
- Гамма-всплески — катастрофические взрывы с энергией выше любой земной.
- Активные ядра галактик — сверхмассивные черные дыры, выбрасывающие джеты.
- Пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды.
Если выпустить одновременно «тяжелый» (гамма) и «легкий» (радио) фотон, при нарушении лоренц-инвариантности они придут к нам в разное время. Разница в скорости — доли процента. Но за миллиарды лет она превращается в секунды. Это и ловят телескопы.
Недавно я заметил, что в научпопе часто забывают: даже если скорость фотона отличается на 10⁻²⁰, за 10 миллиардов световых лет набегает задержка в несколько суток. Именно такие масштабы чувствительны для современных обсерваторий.
Проблема Вавилонской башни в данных
До сих пор в этой области царил хаос. Наблюдатели рассчитывали простой параметр E_QG — эффективный масштаб квантовой гравитации. Если он стремится к бесконечности, теория Эйнштейна верна. Теоретики же, группа Алана Костелецкого, разработали Расширение Стандартной Модели (SME) — сложную теорию с множеством коэффициентов. Они учитывают, что нарушение может быть анизотропным: зависеть от направления, откуда прилетел фотон.
Главная заслуга новой работы — математический мост между этими подходами. Авторы разработали алгоритм перевода простого E_QG в сложные коэффициенты SME через сферические гармоники. Это позволило объединить разрозненные наблюдения за последние 20 лет.
Что сделали учёные: три шага к истине
Как это работает? Пошагово.
- Стандартизация — пересчитали данные GRB и блазаров. Выяснили: предыдущие работы игнорировали множитель (n+1)/2 в уравнении групповой скорости. А систематические ошибки инструментов (Fermi-LAT, LHAASO) занижали.
- Учет направления — если Вселенная «сломана» несимметрично, данные с севера и юга нельзя усреднять. Разложили по сферическим гармоникам, проверили каждый сектор неба.
- Гигантский всплеск — включили событие GRB 221009A, зафиксированное LHAASO. Этот гамма-всплеск дал самые жесткие ограничения. Чувствительность выросла в 30 раз.
| Параметр | Старый подход (E_QG) | Новый подход (SME) |
|---|---|---|
| Учёт анизотропии | Нет | Да (сферические гармоники) |
| Количество коэффициентов | 1 | Десятки |
| Точность ограничений | Порядок 10²⁰ ГэВ | До 10²¹ ГэВ (на порядок строже) |
| Проблемы | Игнорирует предфакторы | Требует покрытия всего неба |
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 фотоны всех энергий движутся с одинаковой скоростью.
- Точность выросла в 10 раз. Коэффициенты SME ограничены сильнее, чем когда-либо.
- Важность геометрии. Даже мощный GRB 221009A не закрывает все «слепые пятна» на небе. Нужна сеть наблюдений по всей сфере.
Вместо того чтобы найти ошибки в базисе физики, ученые подтвердили его точность. Теперь теоретикам придется искать эффекты на еще более глубоких уровнях — или ждать новых телескопов (CTA), которые снова будут на стороне Эйнштейна.
Резюме от автора. Каждый раз, когда физики проверяют основы, они находят, что Эйнштейн был прав. Это не разочарование — это сила науки. Лоренц-инвариантность держится вплоть до энергий, близких к планковским. Значит, новые теории должны быть еще более хитрыми. Или квантовой гравитации придется прятаться там, куда даже гамма-всплески не достают.
