Od końca XIX wieku prędkość światła w próżni – ok. 299 792 km/s – pozostaje jednym z największych fundamentów fizyki. Słynny eksperyment Michelsona i Morleya z 1887 r., który miał wykazać “wiatr eteru”, zakończył się spektakularną porażką badaczy, ale stał się największym “zerowym wynikiem” w historii nauki. W jego cieniu Einstein zbudował teorię szczególnej względności, opierając ją na jednym z najważniejszych założeń współczesnej fizyki: prędkość światła jest niezmienna, a prawa fizyki są takie same niezależnie od ruchu obserwatora. Zasada ta nosi nazwę niezmienniczości Lorentza.
Czytaj też: Materia przekroczyła prędkość światła? Niezwykła obserwacja dotycząca gwiazd neutronowych
Przez kolejne dekady mechanika kwantowa i model standardowy potwierdzały tę zasadę z oszałamiającą precyzją. Elektrodynamika kwantowa czy kwarki i gluony – wszystko to działa, o ile Lorentz ma zawsze rację. A jednak, paradoksalnie, to właśnie Einstein jest powodem, dla którego fizycy wciąż próbują wyłamać się z tego dogmatu.
Prędkość światła jest stała – rekordowe pomiary
Problem leży w próbie pogodzenia dwóch gigantów fizyki: kwantowego opisu cząstek i relatywistycznego opisu grawitacji. Mechanika kwantowa operuje na falach prawdopodobieństwa, ale ogólna teoria względności opisuje przestrzeń jako dynamiczną, zakrzywiającą się geometrię. Te dwa światy nie chcą do siebie pasować. Większość teorii grawitacji kwantowej – od pętlowej po niektóre warianty teorii strun – musiała po drodze “poświęcić” coś z dotychczasowego porządku, często właśnie zasadę Lorentza.
Czytaj też: Teleportacja światła między dwoma źródłami. Niemcy robią krok, bez którego nie powstanie kwantowy internet
W efekcie wiele modeli przewiduje subtelną zależność prędkości światła od energii fotonu. Bardzo małą, ale potencjalnie mierzalną, jeśli fotony mają ekstremalnie wysokie energie i podróżują miliardy lat świetlnych.
Zespół z Universitat Autònoma de Barcelona, IEEC, CEREs-UAB oraz dwóch portugalskich uczelni postanowił zweryfikować te przewidywania, korzystając z danych z obserwacji wysokoenergetycznych promieni gamma docierających z bardzo odległych źródeł, np. eksplozji supernowych czy aktywnych jąder galaktyk.
Idea jest prosta, choć diabelnie trudna w wykonaniu. Jeśli fotony o różnych energiach poruszają się z minimalnie różnymi prędkościami, to po miliardach lat podróży mogłyby dotrzeć na Ziemię z mikroskopijnym opóźnieniem. To kosmiczne laboratorium przypomina współczesną wersję eksperymentu Michelsona-Morleya, tyle że zamiast luster i wiązek laserowych mamy galaktyki i detektory promieniowania gamma.
Badacze, pod kierunkiem Mercè Guerrero oraz doktorantki Anny Campoy-Ordaz, zebrali istniejące pomiary fotonów gamma o najwyższych energiach i poddali je nowej analizie statystycznej. Testowali zestaw parametrów opisujących możliwe naruszenia niezmienniczości Lorentza w ramach tzw. Standard Model Extension (SME) – rozszerzonej wersji modelu standardowego pozwalającej na minimalne odstępstwa od klasycznej symetrii.
I choć naukowcy liczyli, że być może uda się znaleźć pierwszy “wyłom”, skończyło się tak jak w eksperymencie sprzed 138 lat: Einstein znów wyszedł zwycięsko.
Wyniki są jasne – nawet przy najwyższych energiach prędkość światła pozostaje identyczna. Co więcej, nowe ograniczenia są o rząd wielkości dokładniejsze od wcześniejszych.
Czy to koniec marzeń o grawitacji kwantowej? Nie. W zasadzie to dopiero początek nowej fazy polowania. Zespół podkreśla, że granice precyzji wciąż można przesuwać. Obserwatoria nowej generacji – zwłaszcza Cherenkov Telescope Array (CTA) – pozwolą badać fotony o jeszcze wyższych energiach, z większą czułością i z większej liczby źródeł.