Эйнштейн снова прав, но мы не сдаемся. Почему физики не могут объединить две главные теории Вселенной и при чем тут скорость света?

В 1887 году состоялся один из самых знаменитых экспериментов в истории физики. Американские ученые Альберт Майкельсон и Эдвард Морли попытались измерить скорость движения Земли, сравнивая скорость света вдоль ее движения и перпендикулярно ему. Эксперимент завершился нулевым результатом: разницы обнаружить не удалось. Именно этот провал стал ключом к революции в физике. Спустя несколько десятилетий Альберт Эйнштейн постулировал, что скорость света постоянна и не зависит от движения источника или наблюдателя. На этом постулате выросла специальная теория относительности.

Одно из ее центральных следствий звучит так: все законы физики одинаковы для всех наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. Это свойство называют лоренцевской инвариантностью. Позже на этом фундаменте была построена квантовая теория, а затем квантовая теория поля и Стандартная модель физики элементарных частиц. Стандартная модель сегодня считается самой точной физической теорией. Ее предсказания многократно проверены экспериментами с колоссальной степенью точности.

Кажется, при таком успехе сомневаться в лоренцевской инвариантности уже нет смысла. Однако вопросы у физиков остаются. Причина снова связана с Эйнштейном, но уже с его общей теорией относительности. В ней гравитация описывается как искривление пространства времени. Эта теория тоже блестяще подтверждена наблюдениями: от слабых гравитационных полей в Солнечной системе до экстремальных условий в окрестности черных дыр.

Проблема в том, что квантовая теория поля и общая теория относительности очень плохо уживаются вместе. Квантовые волновые функции, которые описывают вероятность обнаружить частицу в той или иной точке, должны существовать в искривленном пространстве, а сами же частицы своим энергией и импульсом это пространство искривляют. Попытки объединить обе теории в единую квантовую теорию гравитации нередко приводят к тому, что лоренцевскую инвариантность приходится слегка нарушать. Эти нарушения должны быть невероятно малы, но полностью их исключить многие модели не могут.

Поэтому по сути эксперимент Майкельсона и Морли продолжается и сегодня, только с гораздо более сложной техникой и другими объектами. Одна из возможных подсказок может скрываться в том, как распространяется свет предельно высокой энергии. Некоторые теории квантовой гравитации, допускающие нарушение лоренцевской инвариантности, предсказывают, что скорость света может чуть-чуть зависеть от энергии отдельного фотона. Для обычного света это отличие было бы незаметно, но для фотонов с очень высокой энергией, гамма квантов, оно теоретически может проявиться.

Группа исследователей под руководством бывшей студентки Автономного университета Барселоны Мерсе Герреро и нынешней аспирантки этого же университета и Института космических исследований Каталонии Анны Кампой Ордас проверила лоренцевскую инвариантность с беспрецедентной точностью с помощью астрофизических наблюдений. В работе также участвовали Робертус Поттинг из Университета Альгарве и Маркус Гауг из кафедры физики Автономного университета Барселоны и IEEC. Статья опубликована в журнале Physical Review D.

Суть подхода в том, что крошечные отличия в скорости распространения фотонов могут накапливаться на гигантских космических расстояниях. Если источник очень далекий и испускает гамма кванты разных энергий практически одновременно, то, проходя через Вселенную, они могут прибыть к нам с небольшим запаздыванием одних относительно других. Именно такие задержки и пытаются уловить ученые.

Авторы работы объединили целый набор существующих ограничений, полученных на основе наблюдений очень высокоэнергетического гамма излучения от астрофизических источников. Они применили новый статистический метод, чтобы протестировать набор параметров, отвечающих за возможные нарушения лоренцевской инвариантности, в так называемом расширении Стандартной модели. Этот формализм сейчас активно используют теоретики, чтобы аккуратно описывать возможные отклонения от привычной физики.

Физики, конечно, надеялись поймать хотя бы малейший намек на то, что Эйнштейн в чем то ошибался. Но, как и во многих предыдущих экспериментах, нарушение лоренцевской инвариантности обнаружить не удалось. Зато удалось значительно усилить ограничения. Новые оценки ужесточили прежние пределы примерно на порядок. Это значит, что если лоренцевская инвариантность и нарушается, то делает это еще слабее, чем мы могли предполагать раньше.

Тем не менее охота за эффектами квантовой гравитации не прекращается. Уже на подходе новое поколение инструментов, способных заметно продвинуть эту область. Среди них обсерватория Cherenkov Telescope Array, которая будет улавливать гамма излучение сверхвысоких энергий от далеких космических источников с гораздо большей чувствительностью. Возможно, именно такие установки в будущем помогут понять, как на самом деле устроено пространство время на предельно малых масштабах и где проходят границы применимости теорий Эйнштейна.