Billedkredit: NASA
Einsteins generelle relativitetsteori fik en anden bekræftelse denne uge takket være forskning fra en astronom fra NASA. Forskere målte den samlede energi fra gammastråler udsendt af en fjern gammastråle-bursts og fandt, at de interagerede med partikler på vej til Jorden på en sådan måde, at de nøjagtigt matchede forudsigelser fra Einstein.
Videnskabsmænd siger, at Albert Einsteins princip om lysets hastighed opretholder under ekstremt stram undersøgelse, en konstatering, der udelukker visse teorier, der forudsiger ekstra dimensioner og et "skummende" rumstof.
Fundet demonstrerer også, at grundlæggende jord- og rumbaserede observationer af gamma-stråler med højeste energi, en form for elektromagnetisk energi som lys, kan give indsigt i selve naturen af tid, stof, energi og rum på skalaer ekstremt langt under det subatomære niveau - noget, som få forskere troede muligt.
Dr. Floyd Stecker fra NASA's Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., Diskuterer implikationerne af disse fund i en nylig udgave af Astroparticle Physics. Hans arbejde er delvis baseret på et tidligere samarbejde med nobelprisvinderen Sheldon Glashow fra Boston University.
”Det Einstein arbejdede med blyant og papir for næsten et århundrede siden holder fortsat med videnskabelig kontrol,” sagde Stecker. "Observationer af høj energi af kosmiske gammastråler udelukker ikke muligheden for ekstra dimensioner og begrebet kvantetyngdekraft, men de lægger nogle strenge begrænsninger for, hvordan videnskabsmænd kan gøre noget ved at finde sådanne fænomener."
Einstein sagde, at rum og tid faktisk var to aspekter af en enkelt enhed kaldet rumtid, et firedimensionelt koncept. Dette er grundlaget for hans teorier om særlig og generel relativitet. For eksempel antyder den generelle relativitet, at tyngdekraften er et resultat af masse forvrænget rumtid, som en bowlingkugle på en madras.
Generel relativitet er teorien om tyngdekraft i stor skala, mens kvantemekanik, der blev udviklet uafhængigt i begyndelsen af det 20. århundrede, er teorien om atomet og subatomære partikler i meget lille skala. Teorier baseret på kvantemekanik beskriver ikke tyngdekraften, men snarere de andre tre grundlæggende kræfter: elektromagnetisme (lys), stærke kræfter (bindende atomkerner) og svage kræfter (set i radioaktivitet).
Forskere har længe håbet om at smelte sammen disse teorier i en ”teori om alt” for at beskrive alle aspekter af naturen. Disse samlende teorier - såsom kvantetyngdekraft eller strengteori - kan involvere påkaldelse af ekstra dimensioner af rummet og også krænkelser af Einsteins specielle relativitetsteori, såsom lysets hastighed er den maksimale opnåelige hastighed for alle objekter.
Stecks arbejde involverer begreber kaldet usikkerhedsprincippet og Lorentz invariance. Usikkerhedsprincippet, afledt af kvantemekanik, indebærer, at virtuelle partikler, også kaldet kvantefluktuationer, på subatomisk niveau springer ind og ud af eksistensen. Mange forskere siger, at rumtiden i sig selv består af kvantefluktuationer, der, når de ses tæt på, ligner en skum eller "kvanteskum." Nogle forskere mener, at et kvanteskum af rumtid kan bremse passagen af lys - ligesom lys bevæger sig ved en maksimal hastighed i et vakuum, men ved langsommere hastigheder gennem luft eller vand.
Skummet ville bremse elektromagnetiske partikler med højere energi eller fotoner - såsom røntgenstråler og gammastråler - mere end lavere energifotoner af synligt lys eller radiobølger. En sådan grundlæggende variation i lysets hastighed, forskellig for fotoner med forskellige energier, ville krænke Lorentz invarians, det grundlæggende princip i den specielle relativitetsteori. En sådan overtrædelse kunne være en ledetråd, der kan hjælpe med at pege os på vejen mod foreningsteorier.
Forskere har håbet på at finde sådanne overtrædelser af Lorentz invariance ved at studere gammastråler, der kommer langt uden for Galaxy. En gammastråle-burst, for eksempel, er i en så stor afstand, at forskellene i hastighederne for fotoner i burst, afhængigt af deres energi, kan være målbare - da rumskvantens skum kan virke til at langsomt lys, der har været rejser til os i milliarder af år.
Stecker så meget tættere på hjemmet for at finde ud af, at Lorentz invariance ikke krænkes. Han analyserede gammastråler fra to relativt nærliggende galakser omkring en halv milliard lysår væk med supermassive sorte huller i deres centre, ved navn Markarian (Mkn) 421 og Mkn 501. Disse sorte huller genererer intense stråler gamma-ray fotoner, der er rettet direkte mod jorden. Sådanne galakser kaldes blazarer. (Se billede 4 for et billede af Mkn 421. Billeder 1 - 3 er kunstnerbegreber af supermassive sorte huller, der driver kvasarer, der, når de peges direkte på Jorden, kaldes blazars. Billede 5 er et Hubble-rumteleskopfoto af en blazar.)
Nogle af gammastrålene fra Mkn 421 og Mkn 501 kolliderer med infrarøde fotoner i universet. Disse kollisioner resulterer i ødelæggelse af gammastråler og infrarøde fotoner, da deres energi omdannes til masse i form af elektroner og positivt ladede antimaterialeelektroner (kaldet positroner) ifølge Einsteins berømte formel E = mc ^ 2. Stecker og Glashow har påpeget, at bevis for udslettelse af gamma-stråler med højeste energi fra Mkn 421 og Mkn 501, opnået fra direkte observationer af disse objekter, tydeligt viser, at Lorentz invarians er i live og godt og ikke krænkes. Hvis Lorentz invariance blev krænket, ville gammastrålerne passere lige gennem den ekstragalaktiske infrarøde tåge uden at blive udslettet.
Dette skyldes, at udslettelse kræver en vis mængde energi for at skabe elektroner og positroner. Dette energibudget er tilfreds med gamma-strålene med højeste energi fra Mkn 501 og Mkn 421 i samspil med infrarøde fotoner, hvis begge bevæger sig med den velkendte lyshastighed i henhold til den specielle relativitetsteori. Hvis især gammastrålerne bevægede sig med en langsommere hastighed på grund af Lorentz invariansovertrædelse, ville den samlede tilgængelige energi være utilstrækkelig, og udryddelsesreaktionen ville være et "no go".
”Implikationerne af disse resultater,” sagde Stecker, er, at hvis Lorentz invariance krænkes, er det på et så lille niveau - mindre end en del i tusind billioner - at det er uden for vores nuværende teknologis evne til at finde. Disse resultater kan også fortælle os, at den korrekte form for strengteori eller kvantetyngdekraft skal overholde princippet om Lorentz invariance. ”
For mere information, se “Begrænsninger for Lorentz invariance, der krænker kvantegravitationsmodeller og store ekstra dimensioner-modeller, der bruger højenergi-gammastråleobservationer” online på:
Original kilde: NASA News Release
