В своята теория на специалната относителност от 1905 г. Алберт Айнщайн постулира, че скоростта на светлината във вакуум е постоянна величина. Оттогава това е едно от фундаменталните допускания във физиката.

Сега Енбанг Ли, физик от Университета в Уолонгонг, Австралия, поставя под въпрос тази идея, като създава устройство, което според него е способно да засече промени в скоростта на светлината, докато тя преминава над земната повърхност. Резултатите подсказват, че гравитацията всъщност ускорява светлината, което би могло да има значение за различни приложения в науките за Земята – от мониторинга на климата до проучването на минерални ресурси.

Идеята, че светлината се влияе от гравитацията, не е нова. Идеите на Айнщайн, доразвити в теорията му за общата относителност от 1915 г., предвиждат, че масивните обекти в космоса ще изкривяват светлината чрез своето гравитационно привличане. Тази теория е потвърдена по забележителен начин през 1919 г., когато два независими екипа измерват светлината от звезди по време на слънчево затъмнение от две различни точки на земната повърхност и установяват, че резултатите съвпадат с предвижданията на Айнщайн.

Според общата относителност това изкривяване на пътя на светлината се дължи на деформация на тъканта на пространство-времето. При този сценарий скоростта на светлината остава постоянна – тя просто трябва да измине по-голямо разстояние, докато преминава през изкривеното пространство-време около небесните тела, поради което на отдалечен наблюдател изглежда, че се е забавила.

Но какво ще стане, ако светлината не преминава през изкривено пространство-време, а скоростта ѝ действително се забавя или ускорява от гравитацията на големи обекти?

Ли отбелязва, че самият Айнщайн невинаги е бил убеден, че скоростта на светлината е постоянна. През 1911 г. той публикува статия, в която постулира, че скоростта на светлината се променя в зависимост от гравитацията на обектите, покрай които тя преминава. Въпреки това, както посочва Ли, „когато публикува общата си теория, той просто се отказва от този модел“.

Ли разсъждава, че ако гравитацията може да влияе върху движението на светлината, би било възможно да се засекат вариации в скоростта ѝ на локално ниво – например в асансьорна шахта на сграда в кампуса на Университета в Уолонгонг.

Гравитацията на Земята варира на местно ниво в зависимост от надморската височина, плътността на подпочвените слоеве и релефа. Например гравитацията на върха на висока сграда е измеримо по-слаба, отколкото в основата ѝ.

Имайки предвид тези вариации, Ли организира експеримент в асансьорна шахта. Той включваше намотка от оптичен кабел, която – ако бъде разпъната в една посока – би достигнала дължина от 10 километра (6,2 мили). През кабелите се пропускаха лазерни лъчи, които след това се отразяваха обратно, изминавайки общо 20 километра (12,4 мили), преди да достигнат до свръхбърз фотодетектор. Времето, необходимо на лъча да измине това разстояние, се измерваше с осцилоскоп. Експериментът беше проведен както в горната, така и в долната част на шахтата.

Най-голямото предизвикателство, според Ли, беше изолирането на всички външни смущения от околната среда – като промени в температурата и влажността, електромагнитни смущения и вибрации на сградата. Ли проектира система за температурен контрол, а самата експериментална установка беше затворена в корпус с електромагнитно екраниране, за да се изолира от въздушните течения. При провеждането на експеримента Ли установи, че светлината се движи с пренебрежимо малка разлика по-бързо в долната част на шахтата, отколкото в горната.

Впоследствие Ли доразви изследването си, като създаде малка, преносима машина, която според него може да засича промени в скоростта на светлината, докато тя се приближава към обекти с по-висока гравитационна плътност.

В този втори експеримент Ли постави подвижен товар с тегло 72 килограма близо до машината. Той установи, че светлината се движи по-бързо, когато товарът е близо до машината, отколкото когато е по-далеч.

Резултатите, публикувани в сп. Scientific Reports, съответстват на модела за променлива скорост на светлината, предложен от Айнщайн през 1911 г., макар че предварителните данни на Ли показват стойности, много по-големи от предвидените в този модел. Ако бъдат потвърдени, тези открития биха поставили под сериозно съмнение досегашното ни разбиране както за общата, така и за специалната теория на относителността. В сферата на науките за Земята те биха могли да доведат до значително усъвършенстване на технологиите за измерване на гравитацията. Поради чувствителността си към промени в масата, гравитационните сензори се използват за картографиране на морското дъно и за откриване на подземни находища на полезни изкопаеми. Измерването на гравитацията може също така да подобри разбирането ни за климата на Земята, тъй като колебанията в гравитационното поле могат да бъдат свързани с фактори като промени в масата на леда и движение на подземните води.

Понастоящем гравиметрите са уязвими към вибрации и движение, докато машината на Ли – която няма движещи се части – би могла да се използва дори на борда на самолет или подводница. Самият Ли признава, че предстои дълъг път, преди устройството му да навлезе в ежедневна употреба. Разплитането на сложните взаимовръзки между пространството и времето, по думите му, е огромно предизвикателство. „Във физиката все още се казва, че гравитацията е загадка. Светлината е друга загадка. Така че, ако съберем тези две загадки, се получава една гигантска загадка.“

Снимка: Unsplash

Виж още: Разгадаването на магнитното поле на Земята: ключ към лечението на Паркинсон и Алцхаймер