Avtor slike: NASA
Einsteinova splošna teorija relativnosti je ta teden dobila še eno potrditev po zaslugi raziskav astronoma iz Nase. Nekateri teoretiki so verjeli, da bi delci, ki v vesolju priletijo in iz nje, upočasnili svetlobo, kot da bi se premikala po zraku ali vodi. Znanstveniki so izmerili skupno energijo žarkov gama, ki jih oddajajo oddaljeni izbruhi žarkov gama, in ugotovili, da so bili v interakciji z delci na poti do Zemlje na način, ki se natančno ujema z Einsteinovimi napovedmi.
Znanstveniki pravijo, da je načelo Alberta Einsteina o konstantnosti svetlobne hitrosti pod izjemno strogim nadzorom, ugotovitev, ki izključuje nekatere teorije, ki napovedujejo dodatne dimenzije in 'penasto' tkivo vesolja.
Ugotovitev tudi dokazuje, da lahko osnovna opazovanja najvišjih energijskih gama žarkov na tleh in v vesolju, ki so oblika elektromagnetne energije, kot je svetloba, zagotovijo vpogled v samo naravo časa, snovi, energije in prostora na skalah, ki so izjemno daleč spodaj. subatomska raven - nekaj, kar je le malo znanstvenikov mislilo, da je možno.
Dr. Floyd Stecker iz Nasinega centra za vesoljske lete Goddard v Greenbeltu, Md., razpravlja o posledicah teh ugotovitev v nedavni številki Astroparticle Physics. Njegovo delo deloma temelji na prejšnjem sodelovanju z Nobelovim nagrajencem Sheldonom Glashowom z univerze v Bostonu.
'Kar je Einstein izdelal s svinčnikom in papirjem pred skoraj stoletjem, je še vedno pod znanstvenim nadzorom,' je dejal Stecker. 'Visokoenergijska opazovanja kozmičnih gama žarkov ne izključujejo možnosti dodatnih dimenzij in koncepta kvantne gravitacije, vendar postavljajo nekatere stroge omejitve glede tega, kako lahko znanstveniki najdejo takšne pojave.'
Einstein je izjavil, da sta prostor in čas pravzaprav dva vidika ene same entitete, imenovane prostor-čas, štiridimenzionalni koncept. To je temelj njegovih teorij posebne in splošne relativnosti. Na primer, splošna teorija relativnosti trdi, da je sila gravitacije posledica mase, ki izkrivlja prostor-čas, kot žoga za kegljanje na žimnici.
Splošna relativnost je teorija gravitacije v velikem obsegu, medtem ko je kvantna mehanika, ki se je neodvisno razvila v začetku 20. stoletja, teorija atoma in subatomskih delcev v zelo majhnem merilu. Teorije, ki temeljijo na kvantni mehaniki, ne opisujejo gravitacije, temveč druge tri temeljne sile: elektromagnetizem (svetloba), močne sile (vezujoča atomska jedra) in šibke sile (vidne v radioaktivnosti).
Znanstveniki že dolgo upajo, da bodo te teorije združili v eno »teorijo vsega«, da bi opisali vse vidike narave. Te združevalne teorije - kot sta kvantna gravitacija ali teorija strun - lahko vključujejo sklicevanje na dodatne dimenzije prostora in tudi kršitve Einsteinove posebne teorije relativnosti, kot je hitrost svetlobe največja dosegljiva hitrost za vse predmete.
Steckerjevo delo vključuje koncepte, imenovane princip negotovosti in Lorentzova invariantnost. Načelo negotovosti, ki izhaja iz kvantne mehanike, pomeni, da se na subatomski ravni navidezni delci, imenovani tudi kvantna nihanja, pojavijo in izginejo. Mnogi znanstveniki pravijo, da je sam prostor-čas sestavljen iz kvantnih nihanj, ki so, če jih pogledamo od blizu, podobna peni ali 'kvantni peni'. Nekateri znanstveniki menijo, da lahko kvantna pena prostor-časa upočasni prehod svetlobe - podobno kot svetloba potuje z največjo hitrostjo v vakuumu, vendar z počasnejšimi hitrostmi skozi zrak ali vodo.
Pena bi upočasnila elektromagnetne delce višje energije ali fotone - kot so rentgenski žarki in gama žarki - bolj kot fotoni z nižjo energijo vidne svetlobe ali radijskih valov. Takšna temeljna sprememba svetlobne hitrosti, različna za fotone različnih energij, bi kršila Lorentzovo invariantnost, osnovno načelo posebne teorije relativnosti. Takšna kršitev bi lahko bila namig, ki bi nas usmeril na pot do teorij združitve.
Znanstveniki so upali, da bodo našli takšne kršitve Lorentzove invariance s preučevanjem gama žarkov, ki prihajajo daleč izven Galaksije. Izbruh gama žarkov je na primer na tako veliki razdalji, da bi bile razlike v hitrostih fotonov v izbruhu, odvisno od njihove energije, lahko merljive - saj lahko kvantna pena vesolja deluje na upočasnjeno svetlobo, ki je bila potuje k nam milijarde let.
Stecker je pogledal veliko bližje domu in ugotovil, da Lorentzova invariantnost ni kršena. Analiziral je žarke gama iz dveh sorazmerno bližnjih galaksij, oddaljenih približno pol milijarde svetlobnih let, s supermasivnimi črnimi luknjami v središčih, poimenovanima Markarian (Mkn) 421 in Mkn 501. Te črne luknje ustvarjajo intenzivne žarke fotonov gama žarkov, ki so usmerjeni neposredno v Zemlja. Takšne galaksije se imenujejo blazarji. (Glejte sliko 4 za sliko Mkn 421. Slike 1 – 3 so umetnikovi koncepti supermasivnih črnih lukenj, ki poganjajo kvazarje, ki jih, ko jih usmerite neposredno proti Zemlji, imenujemo blazarji. Slika 5 je fotografija blazarja iz vesoljskega teleskopa Hubble.)
Nekateri gama žarki iz Mkn 421 in Mkn 501 trčijo z infrardečimi fotoni v vesolju. Ti trki povzročijo uničenje žarkov gama in infrardečih fotonov, saj se njihova energija pretvori v maso v obliki elektronov in pozitivno nabitih elektronov antimaterije (imenovanih pozitroni), v skladu s slavno Einsteinovo formulo E=mc^2. Stecker in Glashow sta poudarila, da dokazi o anihilaciji najvišjih energijskih žarkov gama iz Mkn 421 in Mkn 501, pridobljeni z neposrednim opazovanjem teh objektov, jasno kažejo, da je Lorentzova invariantnost živa in zdrava in ni kršena. Če bi bila Lorentzova invariantnost kršena, bi žarki gama prešli skozi ekstragalaktično infrardečo meglo, ne da bi bili uničeni.
To je zato, ker anihilacija zahteva določeno količino energije, da ustvari elektrone in pozitrone. Ta energijski proračun je zadovoljen za najvišje energijske gama žarke iz Mkn 501 in Mkn 421 v interakciji z infrardečimi fotoni, če se oba premikata z dobro znano svetlobno hitrostjo v skladu s posebno teorijo relativnosti. Če pa bi se zlasti žarki gama premikali s počasnejšo hitrostjo zaradi kršitve Lorentzove invariance, bi bila skupna razpoložljiva energija neustrezna in reakcija uničenja bi bila 'neuspešna'.
'Posledice teh rezultatov,' je dejal Stecker, 'je, da če je Lorentzova invariantnost kršena, je to na tako majhni ravni - manj kot en del od tisoč trilijonov -, da je naša sedanja tehnologija ne more najti.' Ti rezultati nam lahko tudi povedo, da mora pravilna oblika teorije strun ali kvantne gravitacije upoštevati načelo Lorentzove invariance.
Za več informacij glejte »Omejitve Lorentzove invariance, ki kršijo modele kvantne gravitacije in velikih dodatnih dimenzij z uporabo opazovanja visokoenergijskih žarkov gama« na:
http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0308214
Originalni vir: NASA-ino sporočilo za javnost