Πιστωτική εικόνα: NASA
Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν έλαβε άλλη επιβεβαίωση αυτή την εβδομάδα χάρη στην έρευνα ενός αστρονόμου από τη NASA. Οι επιστήμονες μέτρησαν τη συνολική ενέργεια των ακτίνων γάμμα που εκπέμπονται από μια απομακρυσμένη έκρηξη ακτίνων γάμμα και διαπίστωσαν ότι αλληλεπιδρούν με σωματίδια στο δρόμο τους προς τη Γη με τέτοιο τρόπο ώστε να ταιριάζει ακριβώς με τις προβλέψεις του Αϊνστάιν.
Οι επιστήμονες λένε ότι η αρχή του Albert Einstein σχετικά με τη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός διατηρείται υπό εξαιρετικά αυστηρό έλεγχο, ένα εύρημα που αποκλείει ορισμένες θεωρίες που προβλέπουν επιπλέον διαστάσεις και ένα «αφρώδες» ύφασμα χώρου.
Το εύρημα καταδεικνύει επίσης ότι οι βασικές παρατηρήσεις εδάφους και διαστήματος από τις ακτίνες γάμμα με την υψηλότερη ενέργεια, μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας όπως το φως, μπορούν να δώσουν μια εικόνα για την ίδια τη φύση του χρόνου, της ύλης, της ενέργειας και του χώρου σε κλίμακες πολύ κάτω από το υποατομικό επίπεδο - κάτι που λίγοι επιστήμονες θεώρησαν δυνατό.
Ο Δρ Floyd Stecker του Goddard Space Flight Center της NASA στο Greenbelt, MD, συζητά τις επιπτώσεις αυτών των ευρημάτων σε ένα πρόσφατο τεύχος της Astroparticle Physics. Το έργο του βασίζεται εν μέρει σε μια προηγούμενη συνεργασία με τον βραβευμένο με Νόμπελ Sheldon Glashow του Πανεπιστημίου της Βοστώνης.
«Αυτό που επεξεργάστηκε ο Αϊνστάιν με μολύβι και χαρτί πριν από έναν αιώνα συνεχίζει να διατηρεί τον επιστημονικό έλεγχο», δήλωσε ο Stecker. "Οι παρατηρήσεις υψηλής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων γάμμα δεν αποκλείουν την πιθανότητα επιπλέον διαστάσεων και την έννοια της κβαντικής βαρύτητας, αλλά θέτουν κάποιους αυστηρούς περιορισμούς στο πώς μπορούν οι επιστήμονες να βρουν τέτοια φαινόμενα."
Ο Αϊνστάιν δήλωσε ότι ο χώρος και ο χρόνος ήταν στην πραγματικότητα δύο πτυχές μιας ενιαίας οντότητας που ονομάζεται χωροχρόνος, μια τετραδιάστατη έννοια. Αυτό είναι το θεμέλιο στις θεωρίες του για την ειδική και γενική σχετικότητα. Για παράδειγμα, η γενική σχετικότητα δείχνει ότι η δύναμη της βαρύτητας είναι το αποτέλεσμα της μαζικής παραμόρφωσης του χωροχρόνου, όπως μια μπάλα μπόουλινγκ σε ένα στρώμα.
Η γενική σχετικότητα είναι η θεωρία της βαρύτητας σε μεγάλη κλίμακα, ενώ η κβαντομηχανική, που αναπτύχθηκε ανεξάρτητα στις αρχές του 20ου αιώνα, είναι η θεωρία των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων σε πολύ μικρή κλίμακα. Οι θεωρίες που βασίζονται στην κβαντική μηχανική δεν περιγράφουν τη βαρύτητα, αλλά τις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις: ηλεκτρομαγνητισμός (φως), ισχυρές δυνάμεις (δεσμευτικοί ατομικοί πυρήνες) και αδύναμες δυνάμεις (φαίνεται στην ραδιενέργεια).
Οι επιστήμονες από καιρό ελπίζουν να συγχωνεύσουν αυτές τις θεωρίες σε μια «θεωρία των πάντων» για να περιγράψουν όλες τις πτυχές της φύσης. Αυτές οι ενοποιητικές θεωρίες - όπως η κβαντική βαρύτητα ή η θεωρία χορδών - μπορεί να περιλαμβάνουν επίκληση επιπλέον διαστάσεων του χώρου και επίσης παραβιάσεις της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, όπως η ταχύτητα του φωτός που είναι η μέγιστη εφικτή ταχύτητα για όλα τα αντικείμενα.
Το έργο του Stecker περιλαμβάνει έννοιες που ονομάζονται η αρχή της αβεβαιότητας και η αναλλοίωτη Lorentz. Η αρχή της αβεβαιότητας, που προέρχεται από την κβαντική μηχανική, υπονοεί ότι στο υποατομικό επίπεδο τα εικονικά σωματίδια, που ονομάζονται επίσης κβαντικές διακυμάνσεις, εμφανίζονται και δεν υπάρχουν. Πολλοί επιστήμονες λένε ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος αποτελείται από κβαντικές διακυμάνσεις οι οποίες, όταν τα βλέπουμε από κοντά, μοιάζουν με αφρό ή «κβαντικό αφρό». Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι ένας κβαντικός αφρός χωροχρόνου μπορεί να επιβραδύνει τη διέλευση του φωτός - όσο το φως ταξιδεύει με τη μέγιστη ταχύτητα σε κενό αλλά με χαμηλότερες ταχύτητες μέσω αέρα ή νερού.
Ο αφρός θα επιβραδύνει τα ηλεκτρομαγνητικά σωματίδια υψηλότερης ενέργειας ή φωτονίων - όπως ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα - περισσότερο από τα φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας ορατού φωτός ή ραδιοκυμάτων. Μια τέτοια θεμελιώδης διακύμανση της ταχύτητας του φωτός, διαφορετική για τα φωτόνια διαφορετικών ενεργειών, θα παραβίαζε τον αναλλοίωτο Lorentz, τη βασική αρχή της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας. Μια τέτοια παραβίαση θα μπορούσε να είναι μια ένδειξη που θα μας βοηθούσε να οδηγήσουμε τις θεωρίες ενοποίησης.
Οι επιστήμονες ήλπιζαν να βρουν τέτοιες παραβιάσεις του Lorentz μελετώντας τις ακτίνες γάμμα που προέρχονται από πολύ έξω από τον Γαλαξία. Μια έκρηξη ακτίνων γάμμα, για παράδειγμα, βρίσκεται σε τόσο μεγάλη απόσταση ώστε οι διαφορές στις ταχύτητες των φωτονίων στην έκρηξη, ανάλογα με την ενέργειά τους, να είναι μετρήσιμες - καθώς ο κβαντικός αφρός του χώρου μπορεί να δράσει για να επιβραδύνει το φως που έχει ταξιδεύουν σε μας για δισεκατομμύρια χρόνια.
Ο Stecker κοίταξε πολύ πιο κοντά στο σπίτι του για να διαπιστώσει ότι δεν παραβιάζεται η αναλλοίωτη Lorentz. Ανέλυσε ακτίνες γάμμα από δύο σχετικά κοντινούς γαλαξίες περίπου μισό δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά με υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα τους, με την ονομασία Markarian (Mkn) 421 και Mkn 501. Αυτές οι μαύρες τρύπες δημιουργούν έντονες ακτίνες φωτονίων ακτίνων γάμμα που στοχεύουν άμεσα η γη. Αυτοί οι γαλαξίες ονομάζονται σακάκια. (Ανατρέξτε στην Εικόνα 4 για μια εικόνα του Mkn 421. Οι εικόνες 1 - 3 είναι οι έννοιες του καλλιτέχνη για υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που τροφοδοτούν τα κβάζαρ, τα οποία, όταν δείχνουν κατευθείαν στη Γη, ονομάζονται σακάκια. Η εικόνα 5 είναι μια φωτογραφία του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble ενός blazar.)
Μερικές από τις ακτίνες γάμμα από το Mkn 421 και το Mkn 501 συγκρούονται με υπέρυθρα φωτόνια στο Σύμπαν. Αυτές οι συγκρούσεις έχουν ως αποτέλεσμα την καταστροφή των ακτίνων γάμμα και των υπέρυθρων φωτονίων καθώς η ενέργειά τους μετατρέπεται σε μάζα με τη μορφή ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων αντιύλων-ηλεκτρονίων (που ονομάζονται ποζιτρόνια), σύμφωνα με τον περίφημο τύπο Einstein E = mc ^ 2. Οι Stecker και Glashow επεσήμαναν ότι τα αποδεικτικά στοιχεία για τον αφανισμό των ακτίνων γάμμα με την υψηλότερη ενέργεια από τα Mkn 421 και Mkn 501, που λαμβάνονται από άμεσες παρατηρήσεις αυτών των αντικειμένων, καταδεικνύουν σαφώς ότι η αναλλοίωτη Lorentz είναι ζωντανή και καλή και δεν παραβιάζεται. Εάν παραβιαζόταν η αναλλοίωτη κατάσταση του Lorentz, οι ακτίνες γάμμα θα περνούσαν κατευθείαν από την εξωγαλακτική υπέρυθρη ομίχλη χωρίς να εκμηδενιστούν.
Αυτό συμβαίνει επειδή ο αφανισμός απαιτεί μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας για να δημιουργήσει τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια. Αυτός ο ενεργειακός προϋπολογισμός ικανοποιείται για τις ακτίνες γάμμα υψηλότερης ενέργειας από Mkn 501 και Mkn 421 για αλληλεπίδραση με υπέρυθρα φωτόνια εάν και οι δύο κινούνται με τη γνωστή ταχύτητα φωτός σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Ωστόσο, εάν οι ακτίνες γάμμα κινούνταν με χαμηλότερη ταχύτητα λόγω της παραβίασης της ανακλαστικότητας του Lorentz, η συνολική διαθέσιμη ενέργεια θα ήταν ανεπαρκής και η αντίδραση αφανισμού θα ήταν «όχι».
«Οι επιπτώσεις αυτών των αποτελεσμάτων», είπε ο Stecker «είναι ότι εάν παραβιαστεί η αναλλοίωτη Lorentz, είναι σε τόσο μικρό επίπεδο - λιγότερο από ένα μέρος στα χίλια τρισεκατομμύρια - που είναι πέρα από την ικανότητα της παρούσας τεχνολογίας μας να βρει. Αυτά τα αποτελέσματα μπορεί επίσης να μας λένε ότι η σωστή μορφή της θεωρίας χορδών ή της κβαντικής βαρύτητας πρέπει να υπακούει στην αρχή του αναλλοίωτου Lorentz ».
Για περισσότερες πληροφορίες, ανατρέξτε στην ενότητα "Περιορισμοί στο Lorentz Invariance Violating Quantum Gravity και Large Extra Dimensions Models χρησιμοποιώντας High Energy Gamma Ray Observations" στο Διαδίκτυο στη διεύθυνση:
Αρχική πηγή: Δελτίο Τύπου της NASA
