Теория относительности Эйнштейна, столп классической физики, покоится на двух фундаментальных постулатах. Первый гласит, что законы природы одинаковы для всех наблюдателей, движущихся равномерно прямолинейно. Это словно универсальный закон справедливости, применимый к мяснику, пекарю и изготовителю свечей, независимо от их скорости в вакууме относительно друг друга.
Второй постулат – это революционное утверждение о постоянстве скорости света во Вселенной. Независимо от движения наблюдателя, будь то космический корабль или просто человек на Земле, свет всегда мчится к нам со скоростью “с”, чуть менее 300 000 километров в секунду. Это словно незыблемая константа, фундаментальный ритм Вселенной.
Лоренц-инвариантность: Эхо неизменности
С тех пор как Эйнштейн выдвинул эти постулаты, физики неустанно стремятся подтвердить их точность. Эксперименты, проведенные на протяжении веков, единодушно свидетельствуют о том, что законы природы действительно одинаковы для всех инерциальных систем отсчета, а скорость света – неизменна. Но в глубинах квантовой гравитации, где пространство-время само по себе становится квантовым объектом, возникает вопрос: сохраняется ли эта фундаментальная неизменность?
Некоторые теории квантовой гравитации предсказывают, что для фотонов с невероятной энергией вакуум не пуст, а представляет собой среду, полную виртуальных частиц. В этом “плановом” масштабе, где энергии достигают 1019 миллиардов электрон-вольт, пространство-время может перестать быть непрерывным и начать подчиняться законам квантовой механики.
Гамма-всплеск 221009A: Космический маяк неизменности
Чтобы проверить эти предсказания, исследователи из Китайской обсерватории LHAASO (Большая высокогорная обсерватория воздушных ливней) обратили свой взор на самый яркий гамма-всплеск, когда-либо наблюдаемый – 221009A. Этот космический катаклизм, вспыхнувший в далекой галактике за 2,4 миллиарда световых лет от нас, проливал на Землю поток высокоэнергетических гамма-лучей в течение десяти часов.
Ключ к проверке лоренц-инвариантности заключался в анализе временных задержек прихода фотонов с разной энергией. Если бы вакуум не был абсолютно пустым, а проявлял свойства среды, то фотоны с разными частотами (а значит, и энергиями) должны были бы прибывать на Землю в разное время – это явление называется “дисперсия фотонов”.
Во время наблюдения 221009A, которое продолжалось более 100 минут, LHAASO зафиксировала более 64 000 фотонов с энергией до 7 триллионов электрон-вольт. Это эквивалентно энергии, которую галактика Млечный Путь выделяет за 500 миллионов лет!
Используя два метода анализа временных задержек, исследователи не обнаружили никаких статистически значимых отклонений от лоренц-инвариантности. Фотоны с разной энергией прибывали одновременно, подтверждая неизменность скорости света даже при таких колоссальных энергиях.
Расширение границ квантовой гравитации
Результаты исследования позволили установить два новых нижних предела энергии, при которых могут проявляться эффекты квантовой гравитации. Один из них совпадает с предыдущими измерениями, а второй – в пять раз выше и указывает на то, что неизменность скорости света сохраняется для инерциальных систем отсчета, движущихся со скоростью ниже скорости света.
Авторы исследования подчеркивают, что будущие наблюдения за мгновенным излучением сверхвысоких энергий, а не послесвечением гамма-всплесков, позволят еще более точно проверить лоренц-инвариантность. Гамма-всплеск 221009A – это лишь один из шагов в грандиозном путешествии по поиску границ Вселенной и пониманию того, как фундаментальные законы физики работают на самых экстремальных масштабах.
