Źródło zdjęcia: NASA
Ogólna teoria względności Einsteina otrzymała w tym tygodniu kolejne potwierdzenie dzięki badaniom astronoma z NASA. Naukowcy zmierzyli całkowitą energię promieni gamma emitowanych przez odległe rozbłyski promieniowania gamma i odkryli, że oddziałują z cząsteczkami w drodze na Ziemię w taki sposób, aby dokładnie odpowiadały prognozom Einsteina.
Naukowcy twierdzą, że zasada stałości prędkości światła Alberta Einsteina utrzymuje się pod niezwykle ścisłą kontrolą, co wyklucza pewne teorie przewidujące dodatkowe wymiary i „spienioną” strukturę przestrzeni.
Odkrycie pokazuje również, że podstawowe naziemne i kosmiczne obserwacje promieni gamma o największej energii, formy energii elektromagnetycznej, takiej jak światło, mogą zapewnić wgląd w samą naturę czasu, materii, energii i przestrzeni w skalach bardzo daleko poniżej poziom subatomowy - coś, co niewielu naukowców uważało za możliwe.
Dr Floyd Stecker z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt, MD, omawia implikacje tych odkryć w najnowszym numerze Astroparticle Physics. Jego praca opiera się częściowo na wcześniejszej współpracy z laureatem Nagrody Nobla, Sheldonem Glashow z Boston University.
„To, co Einstein wypracował ołówkiem i papierem prawie sto lat temu, nadal poddaje się analizie naukowej” - powiedział Stecker. „Obserwacje wysokoenergetyczne kosmicznych promieni gamma nie wykluczają możliwości dodatkowych wymiarów i koncepcji grawitacji kwantowej, ale nakładają pewne ścisłe ograniczenia na to, jak naukowcy mogą znaleźć takie zjawiska”.
Einstein stwierdził, że przestrzeń i czas były w rzeczywistości dwoma aspektami jednej istoty zwanej czasoprzestrzenią, koncepcją czterowymiarową. Stanowi to podstawę jego teorii szczególnej i ogólnej teorii względności. Na przykład ogólna teoria względności zakłada, że siła grawitacji jest wynikiem zniekształcania masy w czasoprzestrzeni, jak kula do kręgli na materacu.
Ogólna teoria względności to teoria grawitacji na dużą skalę, podczas gdy mechanika kwantowa, opracowana niezależnie na początku XX wieku, jest teorią atomu i cząstek subatomowych na bardzo małą skalę. Teorie oparte na mechanice kwantowej nie opisują grawitacji, lecz pozostałe trzy podstawowe siły: elektromagnetyzm (światło), siły silne (wiążące jądra atomowe) i siły słabe (widoczne w radioaktywności).
Naukowcy od dawna mają nadzieję na połączenie tych teorii w jedną „teorię wszystkiego”, aby opisać wszystkie aspekty natury. Te jednoczące teorie - takie jak grawitacja kwantowa lub teoria strun - mogą obejmować przywołanie dodatkowych wymiarów przestrzeni, a także pogwałcenie specjalnej teorii względności Einsteina, takiej jak prędkość światła będąca maksymalną osiągalną prędkością dla wszystkich obiektów.
Praca Steckera obejmuje pojęcia zwane zasadą nieoznaczoności i niezmiennością Lorentza. Zasada nieoznaczoności wywodząca się z mechaniki kwantowej implikuje, że na poziomie subatomowym cząstki wirtualne, zwane także fluktuacjami kwantowymi, pojawiają się i znikają. Wielu naukowców twierdzi, że sama czasoprzestrzeń składa się z fluktuacji kwantowych, które oglądane z bliska przypominają pianę lub „pianę kwantową”. Niektórzy naukowcy sądzą, że piana kwantowa czasoprzestrzeni może spowolnić przepływ światła - podobnie jak światło porusza się z maksymalną prędkością w próżni, ale z mniejszymi prędkościami w powietrzu lub wodzie.
Piana spowolniłaby cząstki elektromagnetyczne o wyższej energii lub fotony - takie jak promienie X i promienie gamma - bardziej niż fotony o niższej energii światła widzialnego lub fal radiowych. Tak fundamentalna zmiana prędkości światła, inna dla fotonów o różnych energiach, naruszałaby niezmienność Lorentza, podstawową zasadę specjalnej teorii względności. Takie naruszenie mogłoby być wskazówką, która pomogłaby nam wskazać drogę do teorii zjednoczenia.
Naukowcy mieli nadzieję znaleźć takie naruszenia niezmienniczości Lorentza, badając promienie gamma pochodzące spoza Galaktyki. Na przykład rozbłysk gamma znajduje się w tak dużej odległości, że różnice w prędkościach fotonów w rozbłysku, w zależności od ich energii, mogą być mierzalne - ponieważ piana kwantowa przestrzeni może działać na wolne światło, które zostało podróżując do nas przez miliardy lat.
Stecker przyjrzał się znacznie bliżej domu i stwierdził, że niezmienność Lorentza nie jest naruszana. Przeanalizował promienie gamma z dwóch stosunkowo pobliskich galaktyk w odległości około pół miliarda lat świetlnych z supermasywnymi czarnymi dziurami w swoich centrach, o nazwach Markarian (Mkn) 421 i Mkn 501. Te czarne dziury generują intensywne wiązki fotonów promieniowania gamma, które są skierowane bezpośrednio na Ziemia. Takie galaktyki nazywane są blazarami. (Zdjęcie Mkn 421 przedstawia zdjęcie 4). Obrazy 1–3 to koncepcje artysty dotyczące supermasywnych czarnych dziur zasilających kwazary, które po skierowaniu bezpośrednio na Ziemię nazywane są blazarami. Zdjęcie 5 to zdjęcie blazara z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.)
Niektóre promienie gamma z Mkn 421 i Mkn 501 zderzają się z fotonami podczerwieni we Wszechświecie. Zderzenia te powodują zniszczenie promieni gamma i fotonów w podczerwieni, gdy ich energia jest przekształcana w masę w postaci elektronów i dodatnio naładowanych antymaterii-elektronów (zwanych pozytronami), zgodnie ze słynną formułą Einsteina E = mc ^ 2. Stecker i Glashow wskazali, że dowody anihilacji promieni gamma o największej energii z Mkn 421 i Mkn 501, uzyskane z bezpośrednich obserwacji tych obiektów, wyraźnie pokazują, że niezmienność Lorentza żyje i ma się dobrze i nie jest naruszana. Gdyby naruszono niezmienność Lorentza, promienie gamma przechodziłyby bezpośrednio przez pozagalaktyczną mgłę podczerwieni, nie ulegając anihilacji.
Jest tak, ponieważ anihilacja wymaga pewnej ilości energii, aby wytworzyć elektrony i pozytony. Ten budżet energetyczny jest wystarczający dla promieni gamma o najwyższej energii z Mkn 501 i Mkn 421 w interakcji z fotonami podczerwieni, jeśli oba poruszają się z dobrze znaną prędkością światła zgodnie ze specjalną teorią względności. Gdyby jednak promienie gamma poruszały się z mniejszą prędkością z powodu naruszenia niezmienności Lorentza, całkowita dostępna energia byłaby nieodpowiednia, a reakcja anihilacji byłaby „niemożliwa”.
„Implikacje tych wyników” - powiedział Stecker - są takie, że jeśli naruszona zostanie niezmienność Lorentza, to na tak niskim poziomie - mniej niż jedna część na tysiąc bilionów - wykracza poza możliwości naszej obecnej technologii. Wyniki te mogą nam także powiedzieć, że poprawna forma teorii strun lub grawitacji kwantowej musi być zgodna z zasadą niezmienniczości Lorentza. ”
Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z „Ograniczeniami dotyczącymi niezmienniczości Lorentza naruszającej grawitację kwantową i modele dużych dodatkowych wymiarów przy użyciu obserwacji wysokoenergetycznych promieni gamma” online pod adresem
Oryginalne źródło: NASA News Release
