Теория относительности Эйнштейна основана на двух предположениях, или постулатах. Первое заключается в том, что законы физики выглядят одинаково для всех, кто движется по прямой линии без ускорения.
Эйнштейн позаимствовал эту идею у голландского физика Хендрика Лоренца, который в конце 1800—х годов представил теорию электродинамики, обладающую этим свойством, что привело к появлению понятия "инерциальной системы отсчета" - координат, используемых мясником, пекарем или изготовителем свечей, когда они движутся по прямой линии в пространстве. в вакууме, относительно друг друга, возможно, с разными скоростями. Эта предполагаемая эквивалентность называется "Лоренц-инвариантностью".
Второе предположение состоит в том, что скорость света будет одинаковой для любого человека в инерциальной системе отсчета. Независимо от того, с какой скоростью человек движется и в каком направлении (в вакууме), свет будет виден приближающимся со скоростью "с", чуть менее 300 000 километров в секунду, и с такой же скоростью он будет виден, если пройдет мимо. Даже если пекарь движется со скоростью, равной 0,99999% скорости света относительно мясника, оба измеряют скорость света, чтобы получить скорость "с". (Да, это совсем не интуитивно понятно).
С тех пор физики стремятся проверить лоренц-инвариантность. Она строго соблюдается во всех экспериментах, проведенных на сегодняшний день. Теперь группа ученых из Китая изучила самый мощный из когда-либо наблюдавшихся всплесков гамма-излучения и обнаружила, что фотоны, испускаемые им в одно и то же время, достигли их телескопа в одно и то же время, даже если они имели разные частоты.
Благодаря этому результату нижний энергетический предел, при котором возникает квантовая гравитация, был увеличен в пять раз. Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Интерес к лоренц-инвариантности возрос в последние годы, поскольку некоторые теории квантовой гравитации предсказывают, что для фотонов высокой энергии вакуум выглядит не пустым, а как непустая среда. Это предсказание, когда оно встречается в квантовой теории гравитации, соответствует планковскому масштабу, составляющему около 1019 миллиардов электрон-вольт, где ожидается, что само пространство-время, возможно, потребуется рассматривать в соответствии с правилами квантовой механики.
Сохраняется ли Лоренц-инвариантность даже при таких огромных энергиях, или законы физики начинают выглядеть по-разному для разных инерциальных систем отсчета?
Чтобы проверить это, исследовательская группа из Большой высокогорной обсерватории воздушных ливней (LHAASO) в Китае изучила послесвечение самого яркого из когда-либо наблюдавшихся гамма-всплесков 221009A. Этот гамма-всплеск, открытый в 2022 году и длящийся чуть более 10 секунд, но наблюдаемый в течение 10 часов после обнаружения, находился в далекой галактике на расстоянии 2,4 миллиарда световых лет, а это означает, что его высокоэнергетическим гамма-лучам потребовалось 2,4 миллиарда лет, чтобы достичь Земли.
Нарушение Лоренц-инвариантности проявилось бы, если бы свет разной частоты достигал Земли в разное время, а это означает, что они двигались бы с разной скоростью через долгий вакуум оттуда сюда. Это явление называется "дисперсия фотонов", и оно наблюдается, когда свет проходит через такие материалы, как вода или стекло, но до сих пор оно никогда не было обнаружено в вакууме.
Исследовательская группа использовала данные, собранные во время гамма-всплеска, зафиксированного 9 октября 2022 года в обсерватории в провинции Сычуань, Китай, на высоте 4410 метров над уровнем моря. Гамма-обсерватории на орбите впервые были запущены под воздействием исходных фотонов с более низкой энергией, и LHAASO оказалась направлена в нужном направлении, чтобы измерить "послесвечение" фотонов с высокой энергией от вспышки.
В течение 100 минут после запуска 221009A их водный детектор Черенкова зафиксировал более 64 000 фотонов с энергией до 7 триллионов электрон-вольт. По оценкам, за свое короткое время существования Гамма-всплеск выделил столько же энергии, сколько вся галактика Млечный Путь за 500 миллионов лет.
Пик интенсивности гамма-всплеска произошел примерно через четыре минуты после его срабатывания. Чтобы изучить любые признаки нарушения Лоренц-инвариантности, группа использовала два метода: измерение временных задержек между 10 диапазонами энергии гамма-излучения, каждый из которых содержит фотоны в масштабе ТэВ, и извлечение из данных зависящих от энергии временных задержек поступления.
Их анализ не выявил статистически значимых нарушений лоренц—инвариантности - существенных временных задержек гамма-всплесков фотонов с разными частотами. (Согласно соотношению Планка, частота пропорциональна энергии).
Из-за отсутствия рассеяния фотонов они получили два нижних предела энергии, при которых могут проявляться эффекты квантовой гравитации, один такой же, как и в предыдущих наблюдениях гамма-всплесков, а второй повышает предыдущий нижний предел в пять раз для инерциальных систем отсчета, движущихся со скоростью ниже скорости света.
Они заключают: "Будущие наблюдения за мгновенным излучением сверхвысоких энергий вместо послесвечения гамма-всплесков еще больше повысят чувствительность к Лоренц-инвариантности с помощью испытаний во время полета". Эти пределы могут быть еще выше, если аналогичным образом будет изучена начальная стадия будущего гамма-всплеска.
