Физик из Австралии построил машину, с помощью которой доказал обратное.
Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности 1905 года постулировал, что скорость света в вакууме постоянна. С тех пор это одно из фундаментальных допущений физики.
Теперь физик из Университета Вуллонгонга Энбан Ли бросил вызов этой идее, построив машину, которая, по его словам, способна обнаруживать изменения скорости света при его прохождении по поверхности Земли, пишет ZME Science.
Выводы указывают на то, что на самом деле гравитация ускоряет свет, что может иметь последствия для сфер науки о Земле – от мониторинга климата до разведки минеральных ресурсов.
Идея о том, что на свет влияет гравитация, не нова. Идеи Эйнштейна, которые получили дальнейшее развитие в его общей теории относительности в 1915 году, предсказывали, что массивные объекты в космосе будут изгибать свет своим гравитационным притяжением.
Эта теория была знаменитым образом доказана в 1919 году, когда две независимые команды измерили свет звезд, проходящий мимо солнечного затмения в двух разных точках на поверхности Земли, и обнаружили, что результаты совпали с предсказаниями Эйнштейна.
Это искривление пути света, согласно общей теории относительности, достигается за счет искривления ткани пространства-времени.
Согласно этому сценарию, скорость света остаётся постоянной – просто ему приходится проходить больший путь, пробираясь через искривлённое пространство-время вокруг небесных тел, поэтому отдалённому наблюдателю кажется, что он замедлился.
Но что, если свет не пробирается по искривленному пространству-времени, а на самом деле гравитация крупных объектов замедляет или ускоряет его?
Ли подчеркнул, что сам Эйнштейн не всегда был уверен в постоянстве скорости света. В 1911 году он написал статью, в которой постулировал, что скорость света меняется в зависимости от гравитации объектов, мимо которых он проходит. Однако, "когда он опубликовал свою общую теорию, – заявил Ли, – он просто отказался от этой модели".
Если движение света может подвергаться влиянию гравитации, рассудил Ли, может оказаться возможным обнаружить колебания его скорости на локальном уровне – например, в шахте лифта в здании на территории кампуса Университета Вуллонгонга.
Гравитация на Земле варьируется локально – в зависимости от высоты, подземной плотности и рельефа. Например, гравитация на вершине высокого здания измеримо слабее, чем у его основания.
Учитывая эти колебания, Ли установил эксперимент в лифте. Он состоял из катушки оптоволоконного кабеля, который, будучи вытянутым в одном направлении, имел бы длину 10 километров.
Через кабели пускали лазерные лучи, которые затем отражались обратно – таким образом проходя 20 километров, прежде чем достичь сверхбыстрого фотодетектора. Осциллограф измерял время, которое требовалось лучу, чтобы пройти это расстояние. Эксперимент проводили в верхней части шахты и внизу.
Самым большим вызовом, по словам Ли, стало отфильтровать весь окружающий "шум" – такой как изменения температуры и влажности, электромагнитные помехи и вибрации здания.
Ли разработал систему контроля температуры, а эксперимент был запечатан в корпусе с электромагнитной защитой, чтобы изолировать воздушные потоки. Ли провёл эксперимент и обнаружил, что свет движется чуть быстрее у основания шахты, чем у ее вершины.
Затем Ли сделал еще один шаг вперёд в своём исследовании, построив небольшую портативную машину, которая, по его утверждению, способна обнаруживать изменения в скорости света по мере его приближения к гравитационно более плотным объектам.
Во втором эксперименте Ли разместил рядом с машиной передвижной груз весом 72 килограмма. Он обнаружил, что свет двигался быстрее, когда груз находился рядом с машиной, чем когда он был дальше от неё.
Результаты, опубликованные в журнале Scientific Reports, согласуются с моделью переменной скорости света, которую Эйнштейн предложил в 1911 году – хотя предварительные результаты Ли оказались гораздо значительнее, чем предсказывает та модель.
Если это будет доказано, выводы станут фундаментальным вызовом нашему пониманию как общей, так и специальной теории относительности.
В мире наук о Земле это может привести к значительному улучшению технологий измерения гравитации. Благодаря своей чувствительности к изменениям массы, гравитационные датчики используются для картирования морского дна и для поиска подземных месторождений полезных ископаемых.
Измерение гравитации также может улучшить наше понимание климата Земли, поскольку колебания гравитационного поля связаны с такими факторами, как изменения массы льда и движения подземных вод.
Сейчас гравиметры уязвимы к вибрациям и движению, тогда как машина Ли, в которой нет движущихся частей, могла бы использоваться даже на борту самолёта или подводной лодки.
Крис Стивенс, специалист по численной теории относительности из Университета Кентербери в Новой Зеландии, назвал работу "интригующей и амбициозной".
Хотя Стивенс, который не участвовал в исследовании, заявил, что работа Ли "хорошо обоснована", он отметил, что любые наблюдаемые воздействия гравитации на свет на Земле будут "необычайно малыми", и поэтому к этим результатам нужно относиться с осторожностью.
"В моих собственных исследованиях наблюдаемых гравитационных явлений, – объяснил он, – мне обычно требуется, чтобы в какой-то части Вселенной столкнулись несколько чёрных дыр. Отделить настоящие гравитационные сигнатуры от шума окружающей среды и приборов, таким образом, будет крайне сложно".
Стивенс сказал, что последствия исследования Ли, если оно подтвердится, будут далекоидущими. "Эта работа захватывающая, потому что она продвигает высокоточные фотонные методы измерения в тот диапазон, в котором релятивистские эффекты могут стать практически полезными для геофизики и датчиков".
Джон Нортон, историк физики из Университета Питтсбурга, который также не принимал участия в исследовании, назвал результаты "поразительным заявлением".
Он, однако, настроен скептически, заявив, что "если бы между светом и гравитацией существовала связь большей величины, чем предсказывает общая теория относительности, трудно представить, как ее не обнаружили ни тест с затмением 1919 года, ни более поздние исследования гравитационного линзирования".
Ли признал, что до того, как его устройство найдёт применение в повседневной жизни, предстоит пройти долгий путь. Он заявил, что распутать хитросплетения пространства и времени – колоссальный вызов. "В физике люди все еще говорят, что гравитация – это загадка. Свет – еще одна загадка. Так что если сложить вместе эти две загадки – получится огромная загадка", - подытожил он.
Ранее УНИАН сообщал, что в Антарктиде нашли "скрытую бомбу", которая угрожает всему миру.