Альберт Ейнштейн у своїй спеціальній теорії відносності в 1905 році заявив, що швидкість світла у вакуумі постійна. Відтоді це одна з головних гіпотез фізики.
Зараз Енбанг Лі, фізик з Університету Вуллонгонга в Австралії, кидає виклик цій ідеї, створюючи машину, яка, за його словами, може виявляти зміни швидкості світла, коли воно перетинає поверхню Землі. Отримані дані показують, що світло насправді прискорюється гравітацією, що може мати наслідки для застосування в галузі науки про Землю, від моніторингу клімату до розвідки корисних копалин.
Стара проблема
Ідея про те, що світло впливає на силу тяжіння, не нова. Ідеї Ейнштейна, які були розвинені в його загальній теорії відносності в 1915 році, передбачали, що масивні об’єкти в космосі будуть викривляти світло через їх гравітаційне тяжіння. Ця теорія була доведена в 1919 році, коли дві незалежні групи виміряли світло зірок від сонячного затемнення в двох різних точках на поверхні Землі, і результати збіглися з прогнозами Ейнштейна.
Це викривлення шляху світла, відповідно до загальної теорії відносності, досягається шляхом згортання тканини простору-часу. Згідно з цим сценарієм, швидкість світла залишається незмінною – йому просто потрібно подорожувати далі, оскільки воно рухається крізь турбулентний простір навколо небесних тіл, тому для віддаленого спостерігача воно сповільнилося.
Але що, якщо світло не поширюється в просторі-часі, а насправді сповільнюється або прискорюється гравітацією великих об’єктів?
Лі зазначив, що сам Ейнштейн не завжди вірив у постійність швидкості світла. У 1911 році він написав статтю про те, що швидкість світла змінюється залежно від сили тяжіння об’єктів, що проходять повз. Однак, «коли він опублікував свою загальну теорію, — сказав Лі, — він просто відмовився від цієї моделі».
Якби на рух світла впливала гравітація, міркував Лі, можна було б виявити зміни в його швидкості на локальному рівні, наприклад, у шахті ліфта в будівлі в кампусі Університету Вуллонгонга.
Порушення великих питань
Сила тяжіння на поверхні землі змінюється залежно від висоти над рівнем моря, щільності підземної поверхні та рельєфу. Наприклад, гравітація помітно слабша у верхній частині високої будівлі, ніж у нижній.
Пам’ятаючи про ці відмінності, Лі поставив експеримент у ліфті. Він складався з котушки волоконно-оптичного кабелю, яка, якщо її розтягнути в одному напрямку, мала б довжину 10 кілометрів (6,2 милі). Лазерні промені пропускалися через кабелі, а потім фотографувалися, проходячи 20 кілометрів (12,4 миль), перш ніж досягти надшвидкого фотодетектора. Осцилограф виміряв час проходження цієї відстані. Дослід проводився у верхній частині колодязя і на дні.
Найбільшою проблемою, за словами Лі, було відфільтрувати весь «шум» навколишнього середовища, такий як зміни температури та вологості, електромагнітні перешкоди та вібрації будівель. Лі розробив систему контролю температури, і експеримент був закритий у камері з електромагнітним екрануванням, щоб ізолювати потік повітря. Лі провів експеримент і виявив, що світло поширюється трохи швидше на дні колодязя, ніж на вершині.
Відчуття тяжіння на дорозі
Потім Лі продовжив свої дослідження, побудувавши невелику портативну машину, яка, за його словами, могла б виявляти зміни швидкості світла в міру наближення об’єктів із більшою гравітаційною щільністю.
У цьому другому експерименті Лі поставив рухливий 72-кілограмовий (159 фунтів) вантаж перед машиною. Він виявив, що світло рухалося швидше, коли вага була біля машини, ніж коли вона була далі.
Результати опубліковано в Наукові доповідіузгоджується з моделлю змінної швидкості світла, запропонованою Ейнштейном у 1911 році, хоча попередні результати Лі набагато більші, ніж передбачила ця модель.
Якщо це буде доведено, ці відкриття створять серйозні проблеми для нашого розуміння загальної та спеціальної теорії відносності.
У світі наук про Землю вони можуть привести до значного вдосконалення гравітаційних технологій. Через свою чутливість до змін маси гравітаційні датчики використовуються для картографування морського дна та визначення місцезнаходження підземних мінеральних ресурсів. Відчуття гравітації також може покращити наше розуміння клімату Землі, оскільки зміни в гравітаційному полі можуть бути пов’язані з такими факторами, як зміни маси льоду та зміни підземних вод.
Зараз гравіметри вразливі до вібрації та руху, тоді як машину Лі, яка не має рухомих частин, можна використовувати навіть на літаку чи підводному човні.
“Дивна претензія”
Кріс Стівенс, цифровий релятивіст з Університету Кентербері в Новій Зеландії, назвав роботу «захоплюючою та амбітною». Хоча Стівенс, який не брав участі в дослідженні, сказав, що робота Лі була «добре обґрунтованою», він зазначив, що будь-який спостережуваний вплив гравітації на Землю буде «надзвичайно малим», і тому до результатів слід ставитися з обережністю.
«У моїх власних дослідженнях спостережуваних гравітаційних явищ, — пояснив він, — я зазвичай вимагаю, щоб кілька чорних дір стикалися десь у Всесвіті. Тому відокремлення гравітаційних сигнатур від навколишнього та інструментального шуму буде надзвичайно складним».
Стівенс сказав, що наслідки досліджень Лі, якщо вони підтвердяться, будуть далекосяжними. «Робота є захоплюючою, оскільки вона переводить методи точного фотонного вимірювання в режим, де релятивістські ефекти можуть бути практично корисними для геофізики та зондування».
Джон Нортон, історик фізики з Піттсбурзького університету, який не брав участі в дослідженні, назвав результати “дивовижною заявою”. Однак він засумнівався в них, сказавши, що «якщо існує більша різниця між світлом і гравітацією, ніж передбачено загальною теорією відносності, важко зрозуміти, як експеримент із затемненням 1919 року та наступні дослідження гравітаційного лінзування не виявили цього».
Лі визнав, що йому попереду довгий шлях, перш ніж його пристрій знайде щоденне використання. Усунення хитросплетінь простору і часу, за його словами, є величезним завданням. «У фізиці люди досі кажуть, що гравітація — це одна загадка. Світло — це інша загадка. Тож якщо ви поєднаєте ці дві таємниці разом, це буде величезна загадка».
Ця стаття була спочатку опублікована в журналі Eos.
