Теория относительности прошла проверку, основанную на наблюдениях LHAASO
Исследователи из Института физики высоких энергий Китайской академии наук с высочайшей точностью изучили обоснованность теории относительности в исследовании под названием «Изучение нарушения лоренц-инвариантности в γ-лучах сверхвысоких энергий, наблюдаемых LHAASO», которое было опубликовано в Physical Review Letters.
Согласно теории относительности Эйнштейна, самая высокая скорость во Вселенной — это скорость света. Нарушается ли этот предел, можно проверить, исследуя нарушение лоренцевой симметрии или нарушение лоренц-инвариантности.
«Используя гамма-лучи с самой высокой энергией в мире, наблюдаемые коллаборацией LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory), крупномасштабного эксперимента с космическими лучами в Даочэне, провинция Сычуань, Китай, мы проверили лоренцеву симметрию. Результат улучшает шкалу разрушающей энергии симметрии в десятки раз по сравнению с предыдущим лучшим результатом. Это самая строгая проверка формы нарушения лоренцевской симметрии, еще раз подтверждающая справедливость релятивистской пространственно-временной симметрии Эйнштейна», — сказал профессор Би Сяоцзюнь, один из авторов статьи.
Какова связь между симметрией Лоренца и теорией относительности?
Теория относительности Эйнштейна, краеугольный камень современной физики, требует, чтобы физические законы обладали лоренцевской симметрией. За более чем 100 лет, прошедших с тех пор, как Эйнштейн предложил свою теорию относительности, справедливость симметрии Лоренца подверглась многочисленным экспериментальным проверкам.
Однако существует неразрешимое противоречие между общей теорией относительности, описывающей гравитацию, и квантовой механикой, описывающей законы квантового мира.
Чтобы объединить общую теорию относительности и квантовую механику, физики-теоретики прилагают большие усилия и разработали такие теории, как теория струн и петлевая квантовая теория гравитации.
Эти теории предсказывают, что симметрия Лоренца, вероятно, будет нарушена при очень высоких энергиях, а это означает, что может потребоваться модификация теории относительности при высоких энергиях.
Поэтому крайне важно проверить теорию относительности и разработать более фундаментальные законы физики, ища сигналы нарушения лоренцевской симметрии. Однако, согласно этим теориям, эффект нарушения лоренцевской симметрии значителен только на так называемой планковской шкале энергий, которая составляет до 1019 ГэВ (1 ГэВ = 1 миллиард электрон-вольт).
Поскольку современные ускорители могут достигать только около 104 ГэВ, эффекты нарушения симметрии Лоренца слишком слабы, чтобы их можно было проверить в лабораториях.
Но во Вселенной происходят очень мощные астрофизические процессы, когда частицы могут быть ускорены до энергий, намного превышающих те, которые могут быть достигнуты искусственными ускорителями. Поэтому астрофизические наблюдения являются естественной лабораторией для поиска эффектов нарушения лоренцевской симметрии.
LHAASO — это крупномасштабный эксперимент с космическими лучами в Китае. В процессе строительства в 2021 году LHAASO зафиксировал событие гамма-излучения с самой высокой энергией в мире с энергией с энергией выше 100 ТэВ , с максимальной энергией фотона, достигающей 1,4 ПэВ (1 ПэВ = 1015 электрон-вольт). Одновременно с установлением мирового рекорда он также предоставил ценную возможность для изучения основных законов физики, таких как симметрия Лоренца.
Нарушение лоренцевой симметрии может привести к тому, что фотоны высоких энергий станут нестабильными, быстро распавшись на пару электрон-позитрон или на три фотона.
«Другими словами, фотоны высоких энергий автоматически исчезают по пути на Землю, если нарушена симметрия Лоренца, а это означает, что измеренный нами энергетический спектр должен быть усечен до определенной энергии», — сказал профессор Би Сяоцзюнь.
Данные LHAASO показывают, что текущий спектр гамма-излучения продолжается до высоких энергий выше ПэВ, и не было обнаружено «загадочного» исчезновения каких-либо событий гамма-излучения высокой энергии.
Полученный результат показывает, что симметрия Лоренца все еще сохраняется при приближении к шкале энергий Планка. Работа, по крайней мере, улучшает на один порядок результаты предыдущих измерений.