Фізик створив пристрій для виміру швидкості світла

Альберт Ейнштейн у своїй теорії спеціальної відносності 1905 року постулював, що швидкість світла у вакуумі є постійною. Відтоді це стало однією з фундаментальних засад фізики. Однак тепер Енбанг Лі, фізик з Університету Вуллонгонг в Австралії, кинув виклик цій ідеї, створивши пристрій, який, за його словами, здатний виявляти зміни швидкості світла під час його проходження через поверхню Землі.

Результати дослідження свідчать, що світло насправді прискорюється гравітацією, що може мати наслідки для застосування у науках про Землю, від моніторингу клімату до розвідки корисних копалин.

Ідея про те, що світло піддається впливу гравітації, не є новою. Концепції Ейнштейна, які були розвинуті в його теорії загальної відносності 1915 року, передбачали, що масивні об'єкти в космосі викривлятимуть світло своїм гравітаційним притяганням. Ця теорія була доведена в 1919 році, коли дві незалежні команди виміряли зоряне світло, що проходило повз сонячне затемнення в двох різних точках на поверхні Землі, і виявили, що результати відповідають передбаченням Ейнштейна.

Згідно із загальною теорією відносності, це викривлення шляху світла досягається через деформацію тканини простору-часу. За такого сценарію швидкість світла залишається постійною, просто йому доводиться долати більшу відстань, оскільки воно рухається викривленим простором-часом навколо небесних тіл, тому для віддаленого спостерігача здається, що воно сповільнилося.

Але що, якщо світло не рухається викривленим простором-часом, а насправді сповільнюється або прискорюється гравітацією великих об'єктів? Лі зазначив, що сам Ейнштейн не завжди був переконаний у постійності швидкості світла. У 1911 році він написав статтю, в якій постулював, що швидкість світла змінюється залежно від гравітації об'єктів, повз які воно проходить. Однак, за словами Лі, коли Ейнштейн опублікував свою загальну теорію, він просто відмовився від цієї моделі.

Якщо рух світла може зазнавати впливу гравітації, міркував Лі, можливо, вдасться виявити варіації його швидкості на локальному рівні, наприклад, у шахті ліфта в будівлі на кампусі Університету Вуллонгонг.

Гравітація на Землі варіюється локально залежно від висоти, підземної щільності та топографії. Гравітація на вершині високої будівлі, наприклад, вимірно слабша, ніж внизу. Маючи на увазі ці варіації, Лі встановив експеримент у ліфті. Він складався з котушки волоконно-оптичного кабелю, який, якби його розтягнути в одному напрямку, мав би довжину 10 кілометрів. Лазерні промені випромінювалися через кабелі, а потім відбивалися назад, таким чином долаючи 20 кілометрів перед тим, як досягти надшвидкого фотодетектора. Осцилограф вимірював час, необхідний для проходження променя цієї відстані. Експеримент проводився у верхній частині шахти та внизу.

Найбільшим викликом, за словами Лі, було відфільтрувати весь навколишній екологічний шум, такий як зміна температури та вологості, електромагнітні перешкоди та вібрації будівлі. Лі розробив систему контролю температури, а експеримент був герметизований у корпусі з електромагнітним екрануванням для ізоляції повітряних потоків. Лі провів експеримент і виявив, що світло рухалося мінімально швидше внизу шахти, ніж угорі.

Далі Лі зробив крок уперед у своєму дослідженні, побудувавши невелику портативну машину, яка, за його твердженням, може виявляти зміни швидкості світла, коли воно наближається до більш гравітаційно щільних об'єктів. У цьому другому експерименті Лі розмістив рухомий вантаж вагою 72 кілограми поблизу машини. Він виявив, що світло рухалося швидше, коли вантаж був близько до машини, ніж коли він був далі.

Результати, опубліковані в журналі Scientific Reports, узгоджуються з моделлю змінної швидкості світла, яку Ейнштейн запропонував у 1911 році, хоча попередні результати Лі набагато більші, ніж передбачає ця модель. Якщо їх буде доведено, ці висновки стануть фундаментальним викликом нашому розумінню як загальної, так і спеціальної теорії відносності.

У світі наук про Землю вони можуть призвести до значного вдосконалення технологій вимірювання гравітації. Завдяки своїй чутливості до змін маси гравітаційні датчики використовуються для картографування морського дна та для визначення місцезнаходження підземних запасів корисних копалин. Вимірювання гравітації також може покращити наше розуміння клімату Землі, оскільки варіації гравітаційного поля можуть бути пов'язані з такими факторами, як зміни маси льоду та зрушення підземних вод.

Наразі гравіметри вразливі до вібрацій та руху, тоді як машина Лі, яка не має рухомих частин, може навіть використовуватися на борту літака або підводного човна.

Кріс Стівенс, фахівець з числової теорії відносності з Університету Кентербері в Новій Зеландії, назвав роботу інтригуючою та амбітною. Хоча Стівенс, який не брав участі в дослідженні, сказав, що робота Лі добре обґрунтована, він зазначив, що будь-які спостережувані ефекти гравітації на світло на Землі були б надзвичайно малими, і тому до цих результатів слід ставитися обережно.

У своєму власному дослідженні спостережуваних гравітаційних явищ, пояснив він, зазвичай потрібно кілька чорних дір, що стикаються десь у Всесвіті. Тому відокремлення справжніх гравітаційних сигнатур від екологічного та інструментального шуму буде надзвичайно складним завданням.

Стівенс зазначив, що наслідки дослідження Лі, якщо їх буде підтверджено, будуть далекосяжними. Робота є захоплюючою, оскільки вона виводить прецизійні фотонні методи вимірювання в режим, де релятивістські ефекти можуть стати практично корисними для геофізики та застосувань у сенсорних технологіях.

Джон Нортон, історик фізики з Університету Піттсбурга, який також не брав участі в дослідженні, назвав висновки вражаючим твердженням. Однак він поставився до них скептично, зазначивши, що якщо існує зв'язок між світлом і гравітацією більшої величини, ніж передбачає загальна теорія відносності, важко зрозуміти, як тест затемнення 1919 року та пізніші дослідження гравітаційного лінзування не виявили б цього.

Лі визнав, що до повсякденного використання його пристрою ще далеко. Розплутування тонкощів простору та часу, сказав він, є величезним викликом. У фізиці люди все ще кажуть, що гравітація є таємницею. Світло є іншою таємницею. Тож якщо поєднати ці дві таємниці, це буде гігантська таємниця.