Луч света в лифтовой шахте: австралийский физик бросил вызов Эйнштейну и заставил свет ускоряться

В 1905 году Альберт Эйнштейн постулировал в своей специальной теории относительности, что скорость света в вакууме неизменна. С тех пор это утверждение оставалось одной из фундаментальных аксиом физики.

Теперь Энбанг Ли, физик из Университета Вуллонгонга в Австралии, бросил этой идее вызов, построив прибор, который, по его словам, способен улавливать изменения скорости света при пересечении земной поверхности. Результаты экспериментов указывают на то, что гравитация на самом деле ускоряет свет, а это может иметь колоссальные последствия для наук о Земле — от климатического мониторинга до разведки полезных ископаемых.

Старая загадка

Мысль о том, что гравитация способна влиять на свет, не нова. Идеи Эйнштейна, развитые в его общей теории относительности 1915 года, предсказывали, что массивные объекты в космосе будут искривлять свет своим гравитационным притяжением. Эта теория была знаменито подтверждена в 1919 году, когда две независимые группы измерили звездный свет, проходящий во время солнечного затмения в двух разных точках Земли, и обнаружили, что результаты соответствуют предсказаниям Эйнштейна.

Согласно общей теории относительности, такое искривление траектории света достигается за счет деформации ткани пространства-времени. В этом сценарии скорость света остается постоянной — просто ему приходится преодолевать большее расстояние, огибая искривленное пространство-время вокруг небесных тел, так что удаленному наблюдателю кажется, будто свет замедлился.

Но что, если свет вовсе не огибает искривленное пространство-время, а действительно замедляется или ускоряется гравитацией крупных объектов?

Ли отмечает, что сам Эйнштейн не всегда был убежден в постоянстве скорости света. В 1911 году он написал работу, в которой постулировал, что скорость света меняется в зависимости от гравитации объектов, мимо которых он проходит. Однако, «когда он опубликовал свою общую теорию, — говорит Ли, — он попросту отказался от этой модели».

Если на движение света может влиять гравитация, рассудил Ли, то, возможно, удастся зафиксировать колебания его скорости на локальном уровне — например, в лифтовой шахте здания в кампусе Университета Вуллонгонга.

Большие вопросы в тесной шахте

Гравитация на Земле неоднородна и варьируется в зависимости от высоты над уровнем моря, подземной плотности пород и рельефа местности. На вершине высокого здания, к примеру, гравитация измеримо слабее, чем у его основания.

Помня об этих вариациях, Ли установил эксперимент в лифте. Установка состояла из катушки оптоволоконного кабеля, который, если его растянуть в одну линию, протянулся бы на десять километров. Лазерные лучи пропускались через кабель и отражались обратно, преодолевая, таким образом, двадцать километров, прежде чем попасть на сверхбыстрый фотодетектор. Осциллограф измерял время, за которое луч проходил эту дистанцию. Эксперимент проводился наверху шахты, а затем внизу.

Самой большой трудностью, говорит Ли, было отфильтровать окружающий «шум»: колебания температуры и влажности, электромагнитные помехи, вибрации здания. Ли спроектировал систему термоконтроля, а саму установку запечатал в корпус с электромагнитным экранированием, изолировав ее от воздушных потоков. Запустив эксперимент, Ли обнаружил: свет двигался на ничтожную долю быстрее внизу шахты, чем наверху.

Гравитационное зондирование на ходу

Следующим шагом Ли продвинул свои изыскания еще дальше, построив небольшой портативный прибор, который, по его утверждению, способен улавливать изменения скорости света вблизи гравитационно более плотных объектов.

Во втором эксперименте Ли разместил рядом с прибором передвижной груз весом 72 килограмма. Свет, как он обнаружил, двигался быстрее, когда груз находился возле прибора, чем когда его отодвигали дальше.

Результаты, опубликованные в журнале Scientific Reports, согласуются с моделью переменной скорости света, предложенной Эйнштейном в 1911 году, хотя предварительные данные Ли значительно превышают величины, предсказанные той моделью.

Если результаты подтвердятся, они представят собой фундаментальный вызов нашему пониманию как общей, так и специальной теории относительности.

В науках о Земле они могут привести к созданию значительно улучшенных технологий гравитационного зондирования. Благодаря своей чувствительности к изменениям массы гравитационные датчики сегодня используются для картирования морского дна и поиска подземных минеральных запасов. Гравитационное зондирование также способно углубить наше понимание климата Земли, поскольку вариации гравитационного поля могут быть связаны с такими факторами, как изменение массы льда и сдвиги в уровне грунтовых вод.

Современные гравиметры уязвимы для вибраций и движения, тогда как прибор Ли, в котором нет движущихся частей, потенциально можно использовать даже на борту самолета или подводной лодки.

«Поразительное утверждение»

Крис Стивенс, специалист по численной теории относительности из Университета Кентербери в Новой Зеландии, назвал работу «интригующей и амбициозной». Хотя Стивенс, не участвовавший в исследовании, отметил, что работа Ли «хорошо обоснована», он подчеркнул: любые наблюдаемые эффекты влияния гравитации на свет на Земле должны быть «чрезвычайно малы», и потому к этим результатам следует относиться с осторожностью.

«В моей собственной работе по наблюдаемым гравитационным явлениям, — объяснил он, — мне, как правило, требуется, чтобы где-то во Вселенной столкнулась пара черных дыр. Отделить подлинные гравитационные сигнатуры от шума окружающей среды и приборов будет исключительно сложной задачей».

В то же время Стивенс отметил далеко идущие последствия, которые повлечет за собой исследование Ли в случае подтверждения: «Работа вдохновляет, потому что она выводит прецизионные фотонные измерительные техники в режим, в котором релятивистские эффекты могут стать практически полезными для геофизики и сенсорных приложений».

Джон Нортон, историк физики из Питтсбургского университета, также не участвовавший в исследовании, назвал выводы «поразительным утверждением». Однако он отнесся к ним скептически, заметив: «Если связь между светом и гравитацией имеет величину большую, чем предсказывает общая теория относительности, трудно представить, как тест 1919 года с затмением и последующие исследования гравитационного линзирования могли бы ее не обнаружить».

Ли признает: пройдет еще много времени, прежде чем его прибор найдет повседневное применение. Распутать хитросплетения пространства и времени, говорит он, — колоссальная задача. «В физике люди до сих пор говорят, что гравитация — это тайна. И свет — еще одна тайна. А если сложить две тайны вместе, получится одна гигантская загадка». И все же дерзость этого эксперимента не в том, что он немедленно ниспровергает Эйнштейна. Она в готовности вернуться к черновикам гения — к той самой идее 1911 года, которую он сам отбросил, — и тихо спросить: а что, если? Возможно, главные открытия XXI века будут сделаны не в коллайдерах и не в далеких галактиках, а в обычной лифтовой шахте австралийского кампуса, где физик-одиночка с катушкой оптоволокна и гирей в 72 килограмма пытается подслушать, как гравитация шепчет свету: «Лети быстрее».