Επιστήμονες επιβεβαιώνουν με μεγάλη ακρίβεια τη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός και μια σημαντική ιδιότητα της φύσης

Επιστήμονες από τα πανεπιστήμια Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin, School of Physics, The University of Western Australia και Institute for Photonics and Advanced Sensing, School of Physical Sciences, University of Adelaide, αναφέρουν τα αποτελέσματα της νέας τους έρευνας: Πρόκειται για τον ακριβέστερο, μέχρι σήμερα, έλεγχο της συμμετρίας Lorentz για τα φωτόνια, στο πλαίσιο της οποίας ερεύνησαν για αποκλίσεις στη ταχύτητα του φωτός, χωρίς να διαπιστωθεί καμιά παραβίαση του αναλλοίωτου Lorentz. Η μελέτη δημοσιεύεται στο πρόσφατο τεύχος του Nature Communications.

Όπως αναφέρεται στην περίληψη του άρθρου-τα στοιχεία για το δημοσίευμα στο egno.gr αντλήθηκαν από το κείμενο της εργασίας- η συμμετρία Lorentz είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα της σύγχρονης Φυσικής, που βρίσκεται πίσω από το σωματιδιακό Καθιερωμένο Πρότυπο (standard model) και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Αυτές οι δυο θεωρίες υποστηρίζεται ότι αποτελούν προσεγγίσεις χαμηλής ενέργειας μιας απλής θεωρίας που είναι ενιαία και συνεπής στην κλίμακα Planck (5,4 × 10^−44 s, 1,6 × 10^−35 m και 1,2 × 10^19 GeV).

Πολλές προτάσεις ενοποίησης επιτρέπουν η συμμετρία Lorentz να σπάει, με παρατηρήσιμα αποτελέσματα να εμφανίζονται στα υποκρυπτόμενα στην κλίμακα Planck επίπεδα. Έτσι απαιτούνται ακριβείς έλεγχοι του αναλλοίωτου Lorentz να αξιολογήσει και να οδηγήσει τις θεωρητικές προσπάθειες. Η συμμετρία Lorentz θεωρείται ως μια θεμελιακή ιδιότητα της φύσης που θα μπορούσε να διατυπωθεί με απλό τρόπο ως εξής: Οι νόμοι της Φυσικής είναι οι ίδιοι, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση που κάποιος τους προσεγγίζει και από το πόσο γρήγορα κινείται. Το αναλλοίωτο Lorentz-για τη μελέτη-θα μπορούσε να περιγραφεί με τη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός, δηλαδή η ταχύτητα του φωτός-που μετριέται στο εργαστήριο-δεν φαίνεται να εξαρτάται από την κατεύθυνση του εργαστηρίου (αναλλοίωτο περιστροφής) και την γρηγοράδα μετατόπισής του στο χώρο (αναλλοίωτο μετάθεσης).

Μια σημαντική συνέπεια, λοιπόν, της συμμετρίας Lorentz είναι η ισοτροπική φύση της ταχύτητας του φωτός, που παραμένει αναλλοίωτη σε μετασχηματισμούς περιστροφής και μετάθεσης. Η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός έχει παίξει σημαντικό ρόλο στη Φυσική, ξεκινώντας από το αρχικό πείραμα με το συμβολόμετρο των Michelson και Morley στα τέλη του 19ου αιώνα (καλοκαίρι του 1887). Ότι ξεκίνησε ως κυνήγι του φωτοβόλου αιθέρα σύντομα εξελίχθηκε σε έλεγχο της επαναστατικής θεωρίας της Ειδικής Σχετικότητας. Το σύγχρονο κίνητρο για την επανάληψη των μετρήσεων πηγάζει από την έρευνα για στοιχεία της νέας Φυσικής από τα οποία θα προκύψει μια κατεύθυνση στην αναζήτηση για μια ενιαία θεωρία της Κβαντομηχανικής και της Γενικής Σχετικότητας.

Παρά την επιτυχία της ενοποίησης της ασθενούς δύναμης και της ηλεκτροδυναμικής, η ενοποίηση του Καθιερωμένου Προτύπου με τη βαρύτητα παραμένει άπιαστη. Πολλές προσεγγίσεις στις οποίες περιλαμβάνονται η θεωρία των χορδών, η κβαντική βαρύτητα και μη-μεταθετικές θεωρίες πεδίου, είτε απαιτούν αποσαφήνιση ή απαιτούν φυσικά να σπάει η συμμετρία Lorentz. Οι προσπάθειες να ελεγχθούν πειραματικά αυτές οι θεωρίες, εστιάζουν σε έρευνες για παραβιάσεις της συμμετρίας Lorentz και στην συμμετρία CPT (συμμετρία συζυγίας φορτίου, ομοτιμίας και χρόνου), οι οποίες αναμένεται να συμβούν στο επίπεδο της κλίμακας Planck. Έγιναν πολλοί έλεγχοι των συμμετριών Lorentz και CPT, για ποικίλα πεδία, σωμάτια και δυνάμεις, χωρίς να αναφερθεί μέχρι τώρα καμιά παραβίασή τους.

Ιστορική επισκόπηση των αποτελεσμάτων πειραμάτων του τύπου του πειράματος των Michelson-Morley που περιορίζουν το αναλλοίωτο Lorentz στην ηλεκτροδυναμική.

Όπως οι θεωρίες που κινητοποιούν πειράματα του τύπου των Michelson–Morley έχουν αλλάξει, έτσι και η τεχνολογία που χρησιμοποιείται. Η μετάβαση από τις συμβατικές έρευνες, με το οπτικό συμβολόμετρο, στο αντηχείο σταθεροποιημένων πηγών συχνότητας έχουν επιτρέψει μια ραγδαία αύξηση της πειραματικής ευαισθησίας. Στην εικόνα στο κείμενο παρουσιάζεται μια επισκόπηση των αποτελεσμάτων. Η απόδοση της εξαιρετικά σταθερής συχνότητας αυτών των σύγχρονων πηγών κάνει τους ελέγχους της συμμετρίας Lorentz για το φωτόνιο, ένα από τα ισχυρότερα πειραματικά εργαλεία στην έρευνα στοιχείων προς την κατεύθυνση ενοποιητικών πλαισίων, όπως η κβαντική βαρύτητα.

Στην εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του πλέον ευαίσθητου πειράματος τύπου Michelson–Morley που έγινε μέχρι σήμερα. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα ενός έτους για να τεθούν όρια στις εννέα ισοτροπίες της ταχύτητας του φωτός, με τα αποτελέσματά μας να εκφράζονται ως περιορισμοί στους συντελεστές της Επέκτασης του Καθιερωμένου Προτύπου. Πρόκειται για μια θεωρία πεδίου που εμπεριέχει το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model), τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και όλους τους πιθανούς τελεστές που σπάζουν τη συμμετρία Lorentz.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα υπερσταθερό ταλαντωτή για να πραγματοποιήσουν ένα σύγχρονο πείραμα Michelson–Morley κάνοντας τον πιο ακριβή, μέχρι σήμερα στη Γη, έλεγχο της συμμετρίας Lorentz για το φωτόνιο, περιορίζοντας στην παραβίαση Lorentz τις σχετικές αλλαγές συχνότητας που σχετίζονται με τον προσανατολισμό Δν/ν στο 9,2±10,7 × 10^−19 (με εμπιστοσύνη 95%). Αυτή η τάξη μεγέθους βελτίωσε περαιτέρω τα προηγούμενα πειράματα Michelson–Morley επιτρέποντάς μας να θέσουμε ενιαία σύγχρονα όρια σε εννέα ανισοτροπίες της ταχύτητας του φωτός, βρίσκοντας μη σημαντικές παραβιάσεις της συμμετρίας Lorentz.

Σχηματική επισκόπηση της πειραματικής εγκατάστασης

Από τη λεπτομερή έρευνα δεν προέκυψαν αποτελέσματα καμιάς στατιστικά σημαντικής παραβίασης της συμμετρίας Lorentz για το φωτόνιο. Παρέχοντας επομένως τα ισχυρότερα από ποτέ στοιχεία ότι η ταχύτητα του φωτός είναι μια σταθερά, τα αποτελέσματα επαληθεύουν περαιτέρω ότι η συμμετρία Lorentz είναι μια βασική ιδιότητα της φύσης.

Περισσότερα στην εργασία: Direct terrestrial test of Lorentz symmetry in electrodynamics to 10^−18, Nature Communications 6, Article number: 8174