Фізики перевірили швидкість світла на прикладі гамма-променів

Інваріантність Лоренца, теорія про те, що одні й ті самі закони фізики діють однаково у всіх системах відліку, є важливою складовою спеціальної теорії відносності. Проте вже деякий час дослідники, які намагаються об'єднати загальну теорію відносності та квантову теорію поля в теорію квантової гравітації, ставлять під сумнів цей принцип. Багато теорій квантової гравітації порушують інваріантність Лоренца, надаючи фотонам з різними рівнями енергії дещо різні швидкості світла. Ця гіпотеза тепер виглядає менш імовірною після того, як науковці нещодавно проаналізували дані гамма-випромінювання від імпульсних астрономічних джерел і не виявили жодних свідчень варіації швидкості.

Дослідники конкретно шукали порушення інваріантності, передбачені Розширенням Стандартної Моделі, ефективною теорією поля, яка об'єднує спеціальну теорію відносності зі Стандартною Моделлю. Варіації швидкості світла, які вона передбачає, занадто малі для прямого вимірювання. Тому натомість науковці проаналізували дані про спалахи гамма-променів, зібрані від пульсарів, активних галактичних ядер та гамма-спалахів. Використовувати можна було лише ті джерела, які випромінювали гамма-промені одночасними імпульсами.

На таких величезних відстанях, які подолали ці фотони, навіть незначні відмінності у швидкості між фотонами з різними рівнями енергії мали б накопичитися до помітної затримки між фотонами. Однак жодної затримки виявлено не було.

Ця робота не спростовує Розширення Стандартної Моделі, але встановлює суворіші межі для порушень інваріантності Лоренца, які воно допускає. Нові обмеження приблизно на півтора порядки величини суворіші за ті, що були встановлені раніше. Це дослідження також надає метод для легшої інтеграції нових експериментальних даних у Розширення Стандартної Моделі.

Автори дослідження називають свою роботу простою, з чого можна зробити висновок, що це слово набуває нового значення після кількох років вивчення математики. Стаття опублікована у відкритому доступі, що дозволяє науковій спільноті ознайомитися з методологією та результатами.

Існує прислів'я, сформульоване Іаном Беттеріджем, згідно з яким на будь-який заголовок, що закінчується знаком питання, можна відповісти словом «ні». Проте інваріантність Лоренца вже деякий час піддається сумніву дослідниками, які працюють над об'єднанням фундаментальних теорій фізики.

Одним із джерел гамма-променів, які аналізували вчені, був Крабоподібний пульсар. Це залишок наднової, що спостерігалася ще в 1054 році. Пульсари є надзвичайно щільними нейтронними зорями, які обертаються з величезною швидкістю та випромінюють потужні промені електромагнітного випромінювання.

Використання гамма-спалахів та інших космічних джерел високоенергетичного випромінювання дає унікальну можливість перевірити фундаментальні принципи фізики. Фотони від цих джерел долають мільярди світлових років, що робить їх ідеальними для виявлення навіть найменших ефектів, які могли б накопичуватися на таких величезних відстанях.

Квантова гравітація залишається однією з найбільших нерозв'язаних проблем сучасної фізики. Вчені намагаються знайти теорію, яка могла б узгодити квантову механіку, що описує поведінку найменших частинок, із загальною теорією відносності, яка пояснює гравітацію та поведінку великих об'єктів у Всесвіті.

Результати цього дослідження мають важливе значення для розуміння фундаментальних властивостей простору, часу та світла. Вони підтверджують, що принципи спеціальної теорії відносності залишаються надійними навіть за екстремальних умов, коли фотони мають різні енергетичні рівні та долають космологічні відстані.

Науковці продовжують вдосконалювати методи перевірки фундаментальних теорій фізики, використовуючи астрономічні спостереження. Кожне нове дослідження допомагає звузити діапазон можливих теорій квантової гравітації та наближає нас до розуміння найглибших таємниць Всесвіту.