Лазерное зондирование Луны подтвердило фундаментальную симметрию теории относительности

Физики из Университета Сорбонны и Калифорнийского университета провели самый чувствительный эксперимент по поиску нарушений лоренц-симметрии в теории относительности. Новые результаты в 5-800 раз сильнее ограничивают существование подобных отклонений, по сравнению с предыдущими экспериментами. В основе поиска лежат данные 45 лет лазерной дальнометрии Луны. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Phys.org

Одно из важных свойств теорий, описывающих строение нашего мира, это симметрия — неизменность формулировок законов при различных преобразованиях пространства. К примеру, не меняет формулировок законов перемещение пространства (трансляция) — следствием этого является закон сохранения импульса. Независимость законов от времени порождает закон сохранения энергии. Точно такая же симметрия существует относительно поворотов пространства. 

Более сложный тип симметрии вводится в качестве постулата специальной теории относительности — неизменность при действии преобразований Лоренца. Это все возможные преобразования пространства-времени, не меняющие расстояний между его точками (метрики). Преобразование Лоренца превращает одну инерциальную систему отсчета в другую, и законы в этих системах отсчета должны сохраняться даже при их движении с околосветовыми скоростями. Кстати, следствием этого является замедление времени, предсказанное СТО. 

Симметрия относительно преобразований Лоренца — важная часть специальной теории относительности и стандартной модели. Однако, как рассказывает соавтор работы, Мари-Кристин Агонин из Парижской обсерватории, эти теории нельзя назвать завершенными. Попытки объединить их в единую теорию до сих пор не увенчались успехом. Вместе с тем, почти все «теории всего» предсказывают нарушение симметрии Лоренца.

Экспериментальное обнаружение нарушения симметрии может помочь в поиске новых теорий, а его отсутствие вновь подтвердит справедливость фундаментальных законов физики. В новой работе авторы построили модель движения Луны, учитывающую возможные отклонения от Лоренц-ковариантности. По словам ученых, это первое крупномасштабное моделирование системы Земля-Луна, проведенное в расширенной Стандартной модели (SME). 

Физики искали нарушения симметрии в данных измерений расстояний от Земли до Луны. В течение 45 лет, с момента первой высадки на Луну, несколько наземных обсерваторий с помощью методов лазерной дальнометрии определяли расстояние до спутника с точностью до сантиметров. Свет лазера отражался от специальных отражателей, оставленных астронавтами и миссиями «Луноход-1» и «Луноход-2» на поверхности Луны — на основании времени между отправкой и возвращением сигнала определялось требуемое расстояние. Всего был сделан 20 721 подобный замер. 

Объединенные данные не обнаружили явных свидетельств нарушения симметрии Лоренца. Новые ограничения на интенсивность этих нарушений в 30-800 раз сильнее, чем предыдущие результаты, полученные из наблюдений за Луной. Результат также в пять раз превосходит ограничения, определенные из наблюдений за двойными пульсарами.

Это не единственный эксперимент, посвященный поискам нарушений фундаментальных симметрий в теориях. Сразу три группы физиков — коллаборации ASACUSA, BASE и ALPHA — ищут нарушения CPT-симметрии (относительно одновременного изменения заряда, замены «право» на «лево» и обращения времени). Из-за этой симметрии свойства частиц и античастиц — масса, энергетические уровни, и другие — должны во многом совпадать. Об ограничениях на отличия между протонами и антипротонами BASE сообщила в 2015 году, ASACUSA, на основе экспериментов с антипротонным гелием, — в 2016 году. Также, на прошлой неделе вышла статья коллаборации ALPHA о первом измерении оптического спектра антиводорода.

Владимир Королёв