Ученые-физики произвели масштабные исследования, целью которых являлась проверка на наличие нарушений так называемого принципа симметрии Лоренца, одного из фундаментальных видов симметрии, входящей в некоторые современные физические теории. Помимо всего прочего, симметрия Лоренца определяет, что результат экспериментов или измерений не зависит от некоторых аспектов проведения эксперимента, в частности, скорости и направления движения объекта, являющегося предметом эксперимента. Этому принципу подчиняются объекты совершенно разного масштаба, от астрономических объектов до мельчайших субатомных частиц. И, согласно мнению некоторых ученых этот принцип является своего рода связующим звеном квантовой механики и Общей теории относительности.
"Нам известно, что Общая теория относительности и Стандартная модель физики элементарных частиц далеки от своего окончательного вида" - рассказывает Мари-Кристин Ангонин (Marie-Christine Angonin), ученая из Парижской обсерватории, - "Кроме этого, все попытки создания одной общей теории, объединяющей два противоположных аспекта современной физики, заканчивались неудачами. Во всех таких объединенных теориях присутствовали нарушения принципа симметрии Лоренца".
Для того, чтобы выполнить проверку на предмет нарушения симметрии Лоренца, группа ученых из Парижской обсерватории и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе произвели анализ данных, собранных на 44 года работы систем лазеров, измеряющих расстояние от Земли до Луны (lunar laser ranging, LLR).
Лазеры LLR посылают импульс света от одной из станций на поверхности Земли к отражателю, установленному на поверхности Луны. Регистрируя момент возврата отраженного сигнала, вычисляется время, необходимое свету для путешествия к Луне и обратно, которое составляет порядка 2.5 секунд. Высокая точность измерения этого времени позволяет вычислить расстояние от Земли до Луны с точностью менее одного сантиметра.
Исследователи проанализировали данные, относящиеся более чем к 20 тысячам лазерных импульсов и их отражений, которые были посланы к Луне между 1969 и 2013 годами с пяти наземных станций LLR, расположенных в различных уголках земного шара. Ученые учли, что время, требующееся свету на путешествие туда и обратно, зависит от ряда факторов, от взаимного расположения Земли и Луны, от погоды и от воздушных потоков в атмосфере, и от релятивистских эффектов, что особенно важно для проверки симметрии Лоренца.
Для проверки симметрии Лоренца ученые разработали так называемую "лунную эфемериду", математическую модель, в которую входят десятки различных факторов, позволяющих вычислить положение, скорость и ориентацию Луны относительно Земли в любой момент времени. Структура этой модели определяется SME-теорией (standard-model extension), которая является одной из попыток скомбинировать Общую теорию относительности и Стандартной модели элементарных частиц, и которая допускает нарушения принципа симметрии Лоренца.
Анализ данных показал, что измерения системы LLR обладают повышенной чувствительностью к определенным комбинациям коэффициентов и параметров, определяемых SME-теорией. Тем не менее, ученые не нашли доказательств, что измерения зависят от скорости и направления движения "измерительной стороны", что, в свою очередь, указывает на отсутствие нарушений симметрии Лоренца. Из-за использования поистине огромного объема исходной информации ученым удалось определить более точные значения коэффициентов SME-модели, точность которых на порядок величины превосходит точность, полученную при предыдущих подобных экспериментах.
Все это указывает на то, что нарушения симметрии Лоренца, если они существуют вообще, имеют столь малую величину, что ими можно попросту пренебречь. А в будущем ученые планируют провести подобную проверку, используя астрономические и физические данные других типов. "Мы планируем объединить данные LLR с данными, собранными некоторыми из лунных орбитальных аппаратов, и на основе всего этого составить новые математические модели" - рассказывает Мари-Кристин Ангонин, - "И в этих новых моделях нарушения симметрии Лоренца будут являться результатом взаимодействия между материей и силами гравитации".