Астрофизики исследовали фундаментальный закон «лоренц-инвариантности» далеко за пределами БАК. Эйнштейн по-прежнему прав.
Величайшее научное наследие, оставленное нам Альбертом Эйнштейном, заключается в следующем: скорость света и законы физики кажутся одинаковыми для всех наблюдателей во Вселенной. Независимо от того, где вы находитесь, как быстро или в каком направлении вы движетесь, или когда вы выполняете свои измерения, все сталкиваются с одними и теми же фундаментальными законами природы. Лежащая в основе этого симметрия, лоренц-инвариантность, является единственной симметрией, которая никогда не должна нарушаться.
Однако многие идеи, выходящие за рамки Стандартной модели и общей теории относительности - , такие как теория струн или большинство проявлений квантовой гравитации - могут нарушить эту симметрию с последствиями для того, что мы наблюдаем во Вселенной. Новое исследование, проведенное коллаборацией HAWC, только что опубликованное 30 марта 2020 года, наложило самые жесткие ограничения на нарушение лоренц-инвариантности за всю историю, что имеет интересные последствия для теоретической физики.
Наши лучшие физические теории Вселенной - это Стандартная модель, описывающая фундаментальные частицы и ядерные и электромагнитные взаимодействия между ними, и Общая теория относительности, описывающая пространство-время и гравитацию. Хотя эти две теории прекрасно описывают реальность, они не полны: они не описывают, например, поведение гравитации на квантовом уровне.
Надежда среди физиков - то, что некоторые назвали бы ее высшей мечтой или «Святым Граалем» - , заключается в том, что существует квантовая теория гравитации, и что эта теория, когда мы ее найдем, объединит все силы Вселенной вместе под одним единым каркасом. Но многие из предложенных схем квантовой гравитации, включая теорию струн, могут нарушить фундаментальную симметрию, важную как для Стандартной модели, так и для ОТО: лоренц-инвариантность.
Лоренц-инвариантность - это один из тех физических терминов, который имеет жаргонное название, но очень простое значение: законы природы одинаковы независимо от того, где и когда вы их измеряете. Неважно, здесь вы или в миллиарде световых лет отсюда; неважно, делаете ли вы свои измерения сейчас, или миллиарды лет назад, или миллиарды лет в будущем; не имеет значения, находитесь ли вы в покое или движетесь со скоростью, близкой к скорости света. Если ваши законы не заботятся о вашем положении или движении, ваша теория лоренц-инвариантна.
Стандартная модель в точности инвариантна по Лоренцу. Общая теория относительности в точности инвариантна по Лоренцу. Но многие воплощения квантовой гравитации лишь приблизительно лоренц-инвариантны. Либо симметрия, которая его определяет, нарушена, либо есть новая физика, которая появляется только в масштабах высоких энергий и нарушает ее. Хотя низкоэнергетическая Вселенная считается лоренц-инвариантной, прямые поиски на коллайдерах частиц (таких как LHC) строго ограничены энергиями, которые они могут исследовать.
В физике мы обычно измеряем энергию в электрон-вольтах (эВ), или количество энергии, необходимое для придания одному электрону электрического потенциала в 1 вольт. В физике элементарных частиц мы ускоряем объекты до высоких энергий и поэтому измеряем их либо в ГэВ (миллиард электрон-вольт), либо в ТэВ (триллион электрон-вольт), в зависимости от достигаемых энергий. LHC достигает энергий около 7 ТэВ на частицу, но это все еще очень ограничено.
Обычно, когда физики говорят о шкалах высших энергий, они имеют в виду либо теоретическую шкалу великого объединения, струнную шкалу, либо планковскую шкалу, на последней из которых действуют известные законы физика в настоящее время ломается. Это от 10¹⁵ до 10¹⁹ ГэВ, что более чем в триллион раз превышает энергию, наблюдаемую на БАК. Хотя БАК - отличный инструмент для наложения многих ограничений, он сравнительно плохо справляется с проверкой моделей квантовой гравитации, которые могут нарушать лоренц-инвариантность.
Но астрофизика дает нам лабораторию для исследования далеко за пределами возможностей БАК или любого другого физического эксперимента на Земле. Были обнаружены отдельные частицы в виде космических лучей с энергиями, превышающими 10¹¹ ГэВ. Астрофизические явления, такие как сверхновые звезды, пульсары, черные дыры и активные галактические ядра, могут создавать условия гораздо более экстремальные, взрывоопасные и энергетические, чем когда-либо могли бы наши лаборатории.
И, возможно, наиболее впечатляюще то, что астрофизические расстояния, которые должны преодолевать эти частицы, гарантируют, что мы измеряем их свойства не на временных шкалах крошечных долей секунды, а на множестве световых лет им нужно путешествовать, чтобы достичь наших глаз. Эта комбинация высокоэнергетических частиц, путешествующих на астрономические расстояния, дает нам беспрецедентную лабораторию для проверки этих идей, нарушающих лоренц-инвариантность, которые мотивируют модели квантовой гравитации и теории струн.
Одним особенно хорошим тестом, который мы можем выполнить, является изучение фотонов квантов света , когда они путешествуют по Вселенной. Если лоренц-инвариантность - это совершенная, точная симметрия, то все фотоны всех энергий должны одинаково распространяться по Вселенной, даже через космические расстояния. Но если есть какие-либо нарушения этой симметрии, даже если это происходит в сверхвысоких масштабах энергий, намного превышающих энергию этих фотонов, тогда фотоны выше определенного энергетического порога должны распадаться.
В стандартной физике элементарных частиц каждое взаимодействие должно сохранять как энергию, так и импульс. Два фотона могут спонтанно взаимодействовать и создать пару электрон-позитрон, но один фотон не может этого сделать сам по себе. Если мы требуем сохранения энергии, единственный способ сохранить импульс - это ввести в игру дополнительную частицу.
Но если лоренц-инвариантность нарушена, нам не нужно точно сохранять импульс; только приблизительно. Если новые эффекты, вызывающие это нарушение, вступят в игру на каком-то очень высоком энергетическом уровне, это означает, что существует определенная вероятность того, что даже фотоны с более низкой энергией испытают распад, нарушающий лоренц-инвариантность. Эффект невелик, но на расстояниях в тысячи световых лет и более вероятность фотонов выше определенного энергетического порога должна падать до нуля.
Одним из самых сложных инструментов, используемых астрономами для измерения этих высокоэнергетических гамма-фотонов, является HAWC: высокогорная водяная Черенковская обсерватория. Точные измерения этих очень высоких энергий фотонов - фотонов выше 10 или даже 100 ТэВ, примерно в сто раз превышающих энергии фотонов, которые может производить LHC - , могут обеспечить самые точные поиски нарушения лоренц-инвариантности.
В своей последней публикации коллаборация HAWC объявила об обнаружении большого количества этих высокоэнергетических фотонов, исходящих из четырех отдельных источников в пределах Млечного Пути: все они соответствуют туманностям пульсарного ветра, остаткам сверхновых, которые ускорять материал из окружающих областей, богатых материей.
Если выполняется лоренц-инвариантность, должен существовать непрерывный спектр этих фотонов, исходящих от этих пульсаров, без жесткой границы (т. е. резкого падения и спада) в их энергетическом спектре. Но если лоренц-инвариантность нарушается, то выше определенного порога количество фотонов должно падать: либо до 0, либо до 50% от их ожидаемого значения, в зависимости от конкретного сценария нарушения лоренц-инвариантности. Но то, что увидел HAWC, с точностью почти в 100 раз лучше, чем любые предыдущие измерения, вообще не указывает на нарушение.
Что интересно в этом результате, так это то, что он устанавливает предел на шкале энергий, при котором допускается нарушение лоренц-инвариантности. Основываясь на последних результатах HAWC, мы можем заключить, что нарушения этой симметрии отсутствуют вплоть до энергетического масштаба 2,2 × 10³¹ эВ: почти в 2000 раз больше планковского энергетического масштаба.
Это, что важно, намного выше энергетического масштаба, при котором теория струн, квантовая гравитация или любые подобные экзотические сценарии физики, выходящие за рамки Стандартной модели, приносят с собой нарушение лоренц-инвариантности. В будущем инструмент с еще более высокой энергией может наложить еще более жесткие ограничения: как на связь, так и на шкалу энергии возможного нарушения Лоренца, с будущими ограничениями, возрастающими как куб наблюдаемой энергии фотонов.
Конечно, всегда можно придумать теоретические искажения, чтобы учесть возможность нарушения лоренц-инвариантности. Это может произойти на шкале энергии, намного превышающей установленные нами ограничения, в тысячи раз превышающей шкалу Планка. Это может включать чрезвычайно малую связь, которая ослабит энергетические ограничения. Или это может быть связано с другим типом (например, субсветовым) нарушением лоренц-инвариантности, чем мы обычно предполагаем.
Но факт остается фактом: эти ограничения, основанные на фотонах, учат нас тому, что если кандидат в квантовую гравитацию, такой как теория струн, вводит тип нарушения лоренц-инвариантности, который предсказывает астрофизическую сигнатуру распада фотона, как это делают многие, теперь они ограничены или даже исключены этим новым набором наблюдений. Законы физики действительно одни и те же везде и всегда, и любое расширение Стандартной модели и Общей теории относительности должно учитывать эти новые жесткие ограничения.
Автор выражает благодарность Пэту Хардингу из HAWC за помощь в создании этой истории.