Kredit za sliku: NASA
Einsteinova Opća teorija relativnosti ovog je tjedna dobila još jednu potvrdu zahvaljujući istraživanju astronoma iz NASA-e. Neki su teoretičari vjerovali da će čestice koje iskaču u svemiru usporiti svjetlost, kao da se kreće kroz zrak ili vodu. Znanstvenici su izmjerili ukupnu energiju gama zraka koje emitiraju udaljeni praskavi gama zraka i otkrili da su u interakciji s česticama na putu do Zemlje na način koji je točno odgovarao Einsteinovim predviđanjima.
Znanstvenici kažu da je princip konstantnosti brzine svjetlosti Alberta Einsteina pod izuzetno strogim nadzorom, nalaz koji isključuje određene teorije koje predviđaju dodatne dimenzije i 'pjenušavu' tkaninu prostora.
Ovo otkriće također pokazuje da osnovna promatranja gama zraka najviše energije, oblika elektromagnetske energije poput svjetlosti, temeljena na zemlji i svemiru, mogu pružiti uvid u samu prirodu vremena, materije, energije i prostora na skalama koje su izuzetno daleko ispod. subatomska razina - nešto što je malo znanstvenika mislilo da je moguće.
Dr. Floyd Stecker iz NASA-inog Centra za svemirske letove Goddard u Greenbeltu, Md., raspravlja o implikacijama ovih nalaza u nedavnom izdanju Astroparticle Physics. Njegov se rad dijelom temelji na ranijoj suradnji s nobelovcem Sheldonom Glashowom sa Sveučilišta u Bostonu.
“Ono što je Einstein razradio olovkom i papirom prije gotovo jednog stoljeća i dalje je pod znanstvenom kontrolom”, rekao je Stecker. 'Visokoenergetska promatranja kozmičkih gama zraka ne isključuju mogućnost dodatnih dimenzija i koncept kvantne gravitacije, ali postavljaju neka stroga ograničenja na to kako znanstvenici mogu pronaći takve fenomene.'
Einstein je izjavio da su prostor i vrijeme zapravo dva aspekta jednog entiteta nazvanog prostor-vrijeme, četverodimenzionalni koncept. To je temelj njegovih teorija specijalne i opće relativnosti. Na primjer, opća teorija relativnosti postavlja da je sila gravitacije rezultat masenog izobličenja prostor-vremena, poput kugle za kuglanje na madracu.
Opća teorija relativnosti je teorija gravitacije u velikim razmjerima, dok je kvantna mehanika, neovisno razvijena početkom 20. stoljeća, teorija atoma i subatomskih čestica u vrlo maloj skali. Teorije temeljene na kvantnoj mehanici ne opisuju gravitaciju, već druge tri temeljne sile: elektromagnetizam (svjetlost), jake sile (vezujuće atomske jezgre) i slabe sile (vidjeti u radioaktivnosti).
Znanstvenici su se dugo nadali da će ove teorije spojiti u jednu 'teoriju svega' koja će opisati sve aspekte prirode. Te objedinjujuće teorije - kao što su kvantna gravitacija ili teorija struna - mogu uključivati pozivanje na dodatne dimenzije prostora, kao i kršenje Einsteinove posebne teorije relativnosti, kao što je brzina svjetlosti najveća moguća brzina za sve objekte.
Steckerov rad uključuje koncepte koji se nazivaju princip nesigurnosti i Lorentzova invarijantnost. Načelo nesigurnosti, izvedeno iz kvantne mehanike, podrazumijeva da na subatomskoj razini virtualne čestice, koje se nazivaju i kvantne fluktuacije, iskaču i nestaju. Mnogi znanstvenici kažu da se samo prostor-vrijeme sastoji od kvantnih fluktuacija koje, kada se gledaju izbliza, nalikuju pjeni ili 'kvantnoj pjeni'. Neki znanstvenici misle da kvantna pjena prostor-vremena može usporiti prolazak svjetlosti - baš kao što svjetlost putuje maksimalnom brzinom u vakuumu, ali sporijim brzinama kroz zrak ili vodu.
Pjena bi usporila elektromagnetske čestice veće energije ili fotone - kao što su X-zrake i gama-zrake - više od fotona niže energije vidljive svjetlosti ili radio valova. Takva temeljna varijacija u brzini svjetlosti, različita za fotone različitih energija, narušila bi Lorentzovu invarijantnost, osnovno načelo specijalne teorije relativnosti. Takvo kršenje moglo bi biti trag koji bi nam pomogao u usmjeravanju na put prema teorijama ujedinjenja.
Znanstvenici su se nadali da će pronaći takva kršenja Lorentzove invarijantnosti proučavajući gama zrake koje dolaze daleko izvan Galaksije. Prasak gama zraka, na primjer, nalazi se na tako velikoj udaljenosti da bi se razlike u brzinama fotona u prasku, ovisno o njihovoj energiji, mogle izmjeriti - budući da kvantna pjena svemira može djelovati na usporavanje svjetlosti koja je bila putujući do nas milijardama godina.
Stecker je pogledao mnogo bliže kući kako bi otkrio da Lorentzova invarijantnost nije narušena. Analizirao je gama zrake iz dvije relativno obližnje galaksije udaljene oko pola milijarde svjetlosnih godina sa supermasivnim crnim rupama u njihovim središtima, nazvanima Markarian (Mkn) 421 i Mkn 501. Ove crne rupe stvaraju intenzivne snopove gama-zraka fotona koji su usmjereni izravno na zemlja. Takve galaksije nazivaju se blazari. (Pogledajte sliku 4 za sliku Mkn 421. Slike 1 – 3 su umjetnički koncepti supermasivnih crnih rupa koje pokreću kvazare koji se, kada su usmjereni izravno na Zemlju, nazivaju blazari. Slika 5 je fotografija blazara iz svemirskog teleskopa Hubble.)
Neke od gama zraka iz Mkn 421 i Mkn 501 sudaraju se s infracrvenim fotonima u Svemiru. Ovi sudari rezultiraju uništenjem gama zraka i infracrvenih fotona jer se njihova energija pretvara u masu u obliku elektrona i pozitivno nabijenih elektrona antimaterije (zvanih pozitroni), prema poznatoj Einsteinovoj formuli E=mc^2. Stecker i Glashow su istaknuli da dokazi o anihilaciji gama zraka najviše energije iz Mkn 421 i Mkn 501, dobiveni izravnim promatranjem ovih objekata, jasno pokazuju da je Lorentzova invarijantnost živa i zdrava i da nije narušena. Ako bi se narušila Lorentzova invarijantnost, gama-zrake bi prolazile ravno kroz ekstragalaktičku infracrvenu maglu bez uništenja.
To je zato što anihilacija zahtijeva određenu količinu energije kako bi se stvorili elektroni i pozitroni. Ovaj energetski proračun je zadovoljen za gama zrake najveće energije iz Mkn 501 i Mkn 421 u interakciji s infracrvenim fotonima ako se obje kreću dobro poznatom brzinom svjetlosti prema specijalnoj teoriji relativnosti. Međutim, kada bi se gama-zrake posebno kretale sporijom brzinom zbog kršenja Lorentzove invarijantnosti, ukupna dostupna energija bila bi neadekvatna i reakcija anihilacije bila bi 'nemoguća'.
“Implikacije ovih rezultata,” rekao je Stecker, “jesu da ako je Lorentzova invarijantnost narušena, to je na tako maloj razini – manje od jednog dijela u tisuću bilijuna – da je to izvan mogućnosti naše sadašnje tehnologije pronaći. Ovi rezultati nam također mogu govoriti da se ispravan oblik teorije struna ili kvantne gravitacije mora pokoravati principu Lorentzove invarijantnosti.”
Za više informacija, pogledajte “Ograničenja Lorentzove invarijantnosti koja krše modele kvantne gravitacije i velikih ekstradimenzijskih modela koji koriste promatranja visokoenergetskih gama zraka” na:
http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0308214
Izvorni izvor: NASA-ino priopćenje