Физики из РФ и Германии провели самую точную проверку специальной теории относительности

Новости науки и техники 11.04.2019 , by Press Комментарии отключены

Пара атомных часов помогла российским и немецким физикам провести самую точную проверку специальной теории относительности и доказать, что она правильно описывает поведение пространства-времени на уровне элементарных частиц, сообщает РИА Новости. Их выводы были представлены в журнале Nature.

Эти опыты — своеобразное логическое продолжение знаменитых экспериментов американских физиков Майкельсона и Морли, пытавшихся еще в 1887 году подтвердить существование так называемого «эфира» — особой светоносной формы материи, по которой должны были распространяться волны света.

По представлениям науки того времени, эфир должен был обладать крайне причудливыми свойствами, и скорость света в нем должна была быть не постоянной, а зависящей от направления движения луча. Соответственно, свойства света должны были меняться по мере вращения Земли вокруг Солнца.

Опыты Морли и Майкельсона, а также появившаяся позже специальная теория относительности (СТО) Эйнштейна, положили конец этим заблуждениям. Сегодня физики считают, что свет и все остальные виды электромагнитного излучения движутся по всем направлениям с одинаковой (инвариантной) скоростью. Аналогичным образом, все физические законы работают одинаковым образом во всех системах отсчета и вне зависимости от углов их поворота.

Этот постулат является краеугольным камнем всех современных теорий, в том числе и Стандартной модели физики, без которого они просто не будут работать. Тем не менее, существует небольшая группа физиков, специализирующихся на изучении квантовой теории гравитации, чьи расчеты показывают, что это правило может не работать на уровне отдельных элементарных частиц.

Вдобавок, еще в 2006 году астрономы обнаружили неоднородности в реликтовом излучении, микроволновом «эхо» Большого взрыва. Они нашли в космосе особый участок, «ось зла», в котором энергия была выше, чем в других уголках Вселенной. Как считают многие ученые, это означает, что некоторые ее «районы» могут расширяться быстрее, чем соседние, и наоборот.

Группа физиков под руководством Сергея Порсева из Института ядерной физики в Гатчине доказала, что теория Эйнштейна правильно описывает поведение пространства-времени и на этих уровнях, наблюдая за работой двух сверхточных атомных часов.

Как работают подобные часы? В роли их «маятника» выступают ионы иттербия, заточенные в специальной электромагнитной «ловушке» и охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю.

Компьютер «стреляет» по этим ионам из лазера, заставляя их электроны колебаться между разными энергетическими уровнями. Время перехода между этими состояниями и частота этих колебаний одинакова для всех атомов одного типа, что позволяет очень точно отслеживать ход времени.

Порсев и его коллеги обратили внимание на то, что «ось зла» и другие потенциальные неоднородности в структуре пространства-времени будут особым образом влиять на характер движения электронов вокруг атомов иттербия в то время, когда они находятся в возбужденном состоянии. При этом, что важно, на них не будут влиять другие потенциальные источники помех, к примеру, магнитные поля, способные внести погрешности в измерения.

Руководствуясь этой идеей, ученые повторили эксперимент Морли и Майкельсона, установив атомные часы в одной и той же лаборатории под определенными углами по отношению друг к другу и наблюдая за их работой на протяжении полугода.

Если пространство-время неоднородно по своей природе, то в работе часов должны были периодически появляться расхождения, связанные с движением Земли по орбите и вращением вокруг ее оси. В противном случае они будут равны нулю.

Как показали эти замеры, различия в частоте колебаний электронов между часами не превышали 0,0000000000000002% в любой момент времени. Это означает, что реальной разницы между ними не было и что специальная теория относительности не нарушается на уровне элементарных частиц и корректно описывает поведение пространства-времени на макро- и микроуровне.