Гамма-всплески и Лоренц-инвариантность: вызов Эйнштейну или подтверждение его гения?

Вселенная — это грандиозный театр, где разыгрываются самые невероятные спектакли. Одним из самых захватывающих и загадочных явлений, доступных нашему наблюдению, являются гамма-всплески — мощнейшие взрывы, происходящие в далеких галактиках, которые на краткий миг затмевают своим сиянием целые звездные скопления. Эти всплески, несущие в себе информацию о самых экстремальных процессах во Вселенной, стали не только объектом пристального внимания астрофизиков, но и инструментом для проверки фундаментальных законов физики, в частности, теории относительности Альберта Эйнштейна.

В основе нашего понимания пространства-времени, этой фундаментальной ткани, из которой соткана Вселенная, лежат два постулата, сформулированные Эйнштейном в начале XX века. Первый постулат, унаследованный от голландского физика Хендрика Лоренца, провозглашает принцип относительности: законы физики остаются неизменными для всех наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. Представьте себе космический вакуум, где парят мясник, пекарь и торговец свечами, каждый из которых движется со своей собственной скоростью. Несмотря на различие в скоростях, все трое будут наблюдать одни и те же физические явления, подчиняющиеся одним и тем же законам. Эта идея, получившая название «лоренц-инвариантность», стала краеугольным камнем современной физики, на котором базируются все наши представления о взаимодействии материи и энергии.

Второй постулат Эйнштейна, еще более революционный, утверждает, что скорость света в вакууме — это абсолютная константа, не зависящая от движения источника или наблюдателя. Другими словами, даже если пекарь будет мчаться со скоростью, близкой к световой, навстречу лучу света, он измерит ту же самую скорость, что и неподвижный мясник. Этот постулат, противоречащий нашей интуиции, основанной на повседневном опыте, где скорости складываются и вычитаются, прошел бесчисленное количество экспериментальных проверок и ни разу не был опровергнут. Более того, он стал основой для целого ряда технологических достижений, от GPS-навигации до ядерной энергетики.

Однако, в последние годы интерес к лоренц-инвариантности вспыхнул с новой силой, подпитываемый развитием квантовой гравитации — области физики, которая стремится объединить две фундаментальные, но пока несовместимые теории: квантовую механику и общую теорию относительности. Некоторые модели квантовой гравитации предсказывают, что при сверхвысоких энергиях, близких к так называемому планковскому масштабу, вакуум может перестать быть пустым и начать взаимодействовать с фотонами, квантами света. Планковский масштаб — это невообразимо огромная величина, характеризующая энергию, при которой гравитационное взаимодействие становится настолько сильным, что пространство-время, возможно, подчиняется законам квантовой механики, теряя свою гладкость и непрерывность.

Это предположение заставляет задуматься: а что если при энергиях, близких к планковскому масштабу, лоренц-инвариантность нарушается? Что если законы физики для разных наблюдателей, движущихся с разными скоростями, все-таки окажутся различными? Ответ на этот вопрос может коренным образом изменить наши представления о Вселенной и ее устройстве.

Чтобы найти ответ на этот вопрос, группа китайских ученых из обсерватории LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) обратилась к одному из самых мощных инструментов, доступных астрономам — гамма-всплескам. Эти грандиозные космические взрывы, происходящие в далеких галактиках, выбрасывают в пространство потоки фотонов с энергией, во много раз превышающей энергию фотонов видимого света. Гамма-всплески — это своего рода природные ускорители частиц, способные разогнать фотоны до энергий, недостижимых в земных лабораториях.

В 2022 году был зафиксирован рекордный по мощности гамма-всплеск, получивший обозначение GRB 221009A. Его излучение, преодолев расстояние в 2,4 миллиарда световых лет, достигло Земли и было зафиксировано детекторами LHAASO, расположенными на высокогорном плато в Китае. Ученые проанализировали данные, собранные в течение 100 минут после всплеска, и сосредоточились на измерении времени прихода фотонов с разными энергиями.

Если бы лоренц-инвариантность нарушалась, фотоны с более высокой энергией должны были бы двигаться быстрее и приходить раньше своих менее энергичных собратьев. Это явление, называемое дисперсией фотонов, хорошо известно при прохождении света через различные среды, например, воду или стекло. Скорость света в среде зависит от ее показателя преломления, который, в свою очередь, зависит от частоты (или энергии) света. В результате, свет разных цветов (т.е. разных частот) распространяется в среде с разной скоростью, что приводит к разложению белого света на спектр, например, при прохождении через призму. Но в вакууме, согласно теории относительности, дисперсия фотонов должна отсутствовать, поскольку скорость света в вакууме постоянна для всех частот.

Результаты анализа данных GRB 221009A оказались весьма интересными. Ученые не обнаружили статистически значимых задержек между фотонами разных энергий, что свидетельствует о том, что лоренц-инвариантность, по крайней мере, в пределах изученного диапазона энергий, остается непоколебимой. Другими словами, даже при энергиях, достигающих 7 триллионов электрон-вольт, фотоны продолжают двигаться со скоростью света, не проявляя признаков дисперсии.

Эти результаты позволили ученым установить новые, более высокие нижние пределы энергии, при которых могут проявиться эффекты квантовой гравитации и, соответственно, нарушиться лоренц-инвариантность. Это важный шаг на пути к пониманию природы пространства-времени при экстремальных условиях, царящих вблизи черных дыр, в ранней Вселенной или при столкновениях частиц сверхвысоких энергий.

Исследование GRB 221009A — это лишь первый шаг в долгом и сложном путешествии к границам пространства-времени. Дальнейшие наблюдения гамма-всплесков, особенно их начальных стадий, когда энергии фотонов могут быть еще выше, позволят еще больше повысить точность измерений и, возможно, открыть новые горизонты в нашем понимании Вселенной. Возможно, в будущем нам удастся зафиксировать нарушение лоренц-инвариантности и выйти за рамки теории относительности, открыв новую эру в физике.

Пока же можно сказать, что Эйнштейн, как и прежде, остается непоколебимым гигантом, чьи гениальные идеи, заложенные в основу теории относительности, продолжают выдерживать самые строгие испытания, бросаемые нам космосом. Но наука не стоит на месте, и будущие исследования могут принести новые, неожиданные открытия, которые заставят нас пересмотреть наши представления о фундаментальных законах природы и устройстве Вселенной.