Теория относительности Эйнштейна основана на двух предположениях, или постулатах. Первое заключается в том, что законы физики выглядят одинаково для всех, кто движется по прямой без ускорения.

Эйнштейн взял эту идею у голландского физика Хендрика Лоренца, который в конце 1800-х годов представил теорию электродинамики с этим свойством, что привело к появлению понятия «инерциальной системы отсчета» — координат, используемых мясником, пекарем или изготовителем свечей, когда они движутся по прямой линии в вакууме относительно друг друга, возможно, с разными скоростями. Эта предполагаемая эквивалентность называется «инвариантностью Лоренца».

Второе предположение заключается в том, что скорость света будет измеряться одинаково любым человеком в инерциальной системе отсчета. Независимо от того, насколько быстро кто-то движется или в каком направлении (в вакууме), свет будет виден приближающимся со скоростью «c», чуть менее 300 000 километров в секунду, с той же скоростью, которая будет видна, если он пройдет мимо. Даже если пекарь движется со скоростью 0,99999 процента от скорости света относительно мясника, оба измеряют скорость света, чтобы получить скорость «c». (Да, это совсем не интуитивно.)

С тех пор физики были полны решимости проверить инвариантность Лоренца. Она строго соблюдается во всех экспериментах, проведенных до сих пор. Теперь группа из Китая рассмотрела самый мощный всплеск гамма-излучения, когда-либо наблюдавшийся, и обнаружила, что фотоны, испущенные им в одно и то же время, прибыли в их телескоп в одно и то же время, даже если у них были разные частоты.

Из этого результата нижний предел энергии , где появляется квантовая гравитация , был увеличен в пять раз. Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Интерес к лоренц-инвариантности возрос в последние годы, поскольку некоторые теории квантовой гравитации предсказывают, что для высокоэнергетических фотонов вакуум не выглядит пустым, а является непустой средой. Это предсказание, когда оно происходит в квантовой теории гравитации, происходит вблизи масштаба Планка около 10 ¹⁹ миллиардов электрон-вольт, где ожидается, что само пространство-время может нуждаться в обработке в соответствии с правилами квантовой механики.

Сохраняется ли лоренц-инвариантность даже при таких огромных энергиях или законы физики начинают выглядеть по-разному для разных инерциальных систем отсчета?

Чтобы проверить это, исследовательская группа из Большой обсерватории высотных атмосферных ливней (LHAASO) в Китае изучила послесвечение самого яркого из когда-либо наблюдавшихся гамма-всплесков 221009A. Этот гамма-всплеск, обнаруженный в 2022 году и длившийся чуть более 10 секунд, но наблюдаемый в течение 10 часов после обнаружения, находился в далекой галактике на расстоянии 2,4 миллиарда световых лет от нас, что означает, что его высокоэнергетическим гамма-лучам потребовалось 2,4 миллиарда лет, чтобы достичь Земли.

Нарушение лоренц-инвариантности возникло бы, если бы свет разных частот достиг Земли в разное время, то есть они имели бы разные скорости при прохождении через длинный вакуум оттуда сюда. Это явление называется « дисперсией фотонов », и оно наблюдается, когда свет проходит через такие материалы, как вода или стекло, но до сих пор оно никогда не было обнаружено в вакууме.

Исследовательская группа использовала данные, собранные в ходе гамма-всплеска 9 октября 2022 года , зарегистрированного в обсерватории в Сычуани, Китай, на высоте 4410 метров над уровнем моря. Орбитальные гамма-обсерватории были впервые активированы начальными фотонами с более низкой энергией, и LHAASO случайно оказался направлен в правильном направлении для измерения «послесвечения» высокоэнергетических фотонов всплеска.

В течение 100 минут после срабатывания 221009A их детектор Water Cherenkov Detector Array зарегистрировал более 64 000 фотонов с энергией до 7 триллионов электрон-вольт. За свою короткую жизнь GRB, по оценкам, выделил столько же энергии, сколько вся галактика Млечный Путь за 500 миллионов лет.

Пик интенсивности от гамма-всплеска произошел примерно через четыре минуты после его запуска. Чтобы изучить любые признаки нарушения лоренц-инвариантности, группа использовала два метода: измерение временных задержек между 10 полосами энергии гамма-излучения, причем каждая полоса содержала фотоны в масштабе ТэВ, и извлечение из данных зависимых от энергии задержек времени прибытия.

Их анализ не обнаружил статистически значимых нарушений лоренц-инвариантности — существенных временных задержек фотонов гамма-всплеска с разными частотами. (Согласно соотношению Планка, частота пропорциональна энергии.)

Из-за отсутствия дисперсии фотонов они получили два нижних предела энергии, при которых могут проявляться эффекты квантовой гравитации: один из них совпадает с наблюдаемым в предыдущих наблюдениях гамма-всплеска, а второй повышает предыдущий нижний предел в пять раз для инерциальных систем отсчета, движущихся со скоростью ниже скорости света.

Они приходят к выводу: «Будущие наблюдения очень высокоэнергетического мгновенного [быстрого] излучения вместо послесвечения гамма-всплесков еще больше повысят чувствительность к лоренц-инвариантности с использованием тестов времени пролета». Эти пределы могут быть подняты еще выше, если начальная стадия будущего гамма-всплеска будет исследована аналогичным образом.