Новое исследование укрепляет фундамент теории относительности

Спустя более века после своего появления, фундаментальное правило, сформулированное Альбертом Эйнштейном о постоянстве скорости света, вновь выдержало самую суровую проверку. Согласно теории специальной относительности, ничто не может двигаться быстрее света в вакууме. Однако современные теории, пытающиеся объединить гравитацию с квантовой механикой, долгое время предполагали, что это правило может быть не абсолютным. Если ткань пространства-времени обладает квантовой структурой, как считают некоторые физики, то свет, преодолевший миллиарды световых лет, мог бы показать крошечные изъяны в основании теории Эйнштейна.

Новое эмпирическое исследование подвергло эту идею одной из самых строгих проверок на сегодняшний день, и «скоростной лимит» Эйнштейна для света снова остался непоколебимым. Международная группа исследователей использовала фотоны, пришедшие из далеких космических взрывов, чтобы по ничтожным различиям во времени их прибытия найти возможные следы нарушения лоренц-инвариантности — то есть изменения фундаментального физического закона в зависимости от энергии частицы или системы отсчета. Это фундаментальное правило теории Эйнштейна утверждает, что законы физики, включая скорость света, одинаковы везде и для всех наблюдателей, независимо от скорости их движения. Вместо этого они обнаружили, что даже в этих экстремальных условиях свет по-прежнему подчиняется тому же космическому ограничению скорости, ужесточая рамки для теорий о том, может ли квантовая гравитация вообще искривлять пространство-время.

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review D, не утверждает, что ограничение скорости света невозможно преодолеть каким-либо образом. Однако оно показывает, что если новая физика за пределами теории относительности и существует, она скрыта гораздо глубже, чем предполагали многие теории. Ученые задались вопросом: путешествуют ли фотоны высокой энергии с той же скоростью, что и фотоны низкой энергии? Некоторые модели квантовой гравитации предсказывают, что пространство-время ведет себя подобно диспергирующей среде, слегка замедляя или ускоряя фотоны в зависимости от их энергии. На лабораторных расстояниях этот эффект был бы неизмеримо мал. Однако на космологических расстояниях даже исчезающе малые различия могут накапливаться в обнаруживаемые задержки.

Новое исследование делает шаг вперед, объединяя и уточняя интерпретацию подобных наблюдений. Вместо того чтобы рассматривать каждый тест как изолированное ограничение на гипотетическую «энергетическую шкалу квантовой гравитации», исследователи систематически перевели эти пределы в язык Стандартного расширения модели (SME). Это комплексная структура, каталогизирующая все возможные способы, которыми известная физика может нарушить симметрию Лоренца, не привязываясь к какой-либо одной спекулятивной теории. В ходе нового анализа ученые пересмотрели литературу, стандартизировали предположения, скорректировали упущенные факторы и учли инструментальные неопределенности для различных обсерваторий. Затем они преобразовали все эти результаты в прямые ограничения на конкретные коэффициенты SME, соответствующие энергозависимым изменениям скорости фотонов.

Космическими посланниками для этого теста стали гамма-всплески, активные ядра галактик и пульсары — одни из самых мощных и ярких явлений во Вселенной. Если бы лоренц-инвариантность где-то и дала сбой, именно в таких условиях должны были бы проявиться любые «трещины». Тем не менее, снова и снова фундаментальное утверждение Эйнштейна подтверждалось. Особенно показательным стал случай гамма-всплеска GRB 221009А 2022 года, который на короткое время перегрузил несколько приборов. Даже здесь исследователи не обнаружили убедительных доказательств того, что фотоны высокой энергии прибывают систематически раньше или позже фотонов низкой энергии.

В совокупности обновленные ограничения улучшили существующие пределы для определенных параметров, нарушающих симметрию Лоренца, примерно на порядок величины. Практически это означает, что любое отклонение от скоростного предела Эйнштейна — если оно вообще существует — должно происходить на энергетических масштабах, далеко выходящих за пределы досягаемости современных экспериментов. Этот результат имеет важные последствия для исследований квантовой гравитации. Многие теории-кандидаты предсказывают ту или иную форму нарушения лоренц-инвариантности, часто возникающую вблизи так называемой планковской энергии. Новый анализ поднимает допустимую планку для таких эффектов еще выше, исключая целые классы моделей или загоняя их во все более узкие рамки.

В конечном счете, постоянство скорости света Эйнштейна только что пережило очередное космическое перекрестное исследование. Ученые проверили его на пределе, используя фотоны, которые мчались через расширяющееся пространство-время миллиарды лет, сквозь самые экстремальные среды, какие только может предоставить природа. Вердикт, на данный момент, таков: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Каждое неудавшееся попытка превысить скорость света сужает область поиска, показывая теоретикам, где новая физика не находится, и оттачивая инструменты, необходимые для обнаружения того места, где она может скрываться в конечном итоге.