Bildekreditt: NASA
Einsteins generelle teori om relativitet fikk en annen bekreftelse denne uken takket være forskning fra en astronom fra NASA. Forskere målte den totale energien fra gammastråler som sendes ut av en fjern gammastråle-utbrudd og fant ut at de samhandlet med partikler på vei til jorden på en slik måte som nøyaktig stemte overens med forutsigelsene fra Einstein.
Forskere sier at Albert Einsteins prinsipp om konstanten av lysets hastighet holder seg under ekstremt stram gransking, et funn som utelukker visse teorier som forutsier ekstra dimensjoner og et "skummende" romstoff.
Funnet viser også at grunnleggende bakke- og rombaserte observasjoner av høyest energiske gammastråler, en form for elektromagnetisk energi som lys, kan gi innsikt i selve naturen til tid, materie, energi og rom på skalaer ekstremt langt under det subatomære nivået - noe som få forskere trodde var mulig.
Dr. Floyd Stecker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., Diskuterer implikasjonene av disse funnene i en fersk utgave av Astroparticle Physics. Hans arbeid er delvis basert på et tidligere samarbeid med nobelprisvinneren Sheldon Glashow fra Boston University.
"Det Einstein jobbet med blyant og papir for nesten hundre år siden, fortsetter å holde vitenskapelig granskning," sa Stecker. "Observasjoner med høy energi av kosmiske gammastråler utelukker ikke muligheten for ekstra dimensjoner og kvantetyngdekraften, men de setter noen strenge begrensninger for hvordan forskere kan gjøre for å finne slike fenomener."
Einstein uttalte at rom og tid faktisk var to aspekter av en enkelt enhet kalt romtid, et firedimensjonalt konsept. Dette er grunnlaget for hans teorier om spesiell og generell relativitet. For eksempel antyder generell relativitet at tyngdekraften er et resultat av masse forvrengt romtid, som en bowlingball på en madrass.
Generell relativitet er teorien om tyngdekraft i stor skala, mens kvantemekanikk, utviklet uavhengig på begynnelsen av 1900-tallet, er teorien om atomet og subatomære partikler i veldig liten skala. Teorier basert på kvantemekanikk beskriver ikke tyngdekraften, men snarere de tre andre grunnleggende kreftene: elektromagnetisme (lys), sterke krefter (bindende atomkjerner) og svake krefter (sett i radioaktivitet).
Forskere har lenge håpet å smelte sammen disse teoriene til en "teori om alt" for å beskrive alle aspekter av naturen. Disse samlende teoriene - for eksempel kvantetyngdekraft eller strengteori - kan innebære påkallelse av ekstra dimensjoner av rommet og også brudd på Einsteins spesielle relativitetsteori, slik som lysets hastighet er den maksimale oppnåelige hastigheten for alle objekter.
Stecks arbeid involverer begreper som kalles usikkerhetsprinsippet og Lorentz invariance. Usikkerhetsprinsippet, avledet fra kvantemekanikk, innebærer at virtuelle partikler, også kalt kvantefluktuasjoner, på subatomisk nivå springer inn og ut av eksistensen. Mange forskere sier at romtiden i seg selv består av kvantumsvingninger som, når de ses på nært hold, ligner en skum eller "kvanteskum." Noen forskere tror at et kvanteskum av romtid kan bremse lysgjennomgangen - omtrent som lyset beveger seg med maksimal hastighet i vakuum, men i lavere hastigheter gjennom luft eller vann.
Skummet ville bremse elektromagnetiske partikler med høyere energi eller fotoner - som røntgenstråler og gammastråler - mer enn lavere energifotoner av synlig lys eller radiobølger. En slik grunnleggende variasjon i lysets hastighet, annerledes for fotoner med forskjellige energier, ville krenke Lorentz invarians, det grunnleggende prinsippet for den spesielle relativitetsteorien. Et slikt brudd kan være en ledetråd som kan hjelpe oss med å peke oss på veien mot foreningsteorier.
Forskere har håpet å finne slike brudd på Lorentz invariance ved å studere gammastråler som kommer langt utenfor Galaxy. Et gammastråle-utbrudd er for eksempel i så stor avstand at forskjellene i hastighetene til fotoner i utbruddet, avhengig av deres energi, kan være målbare - ettersom kvanteskummet i rommet kan virke for å sakte lyset som har vært reiser til oss i milliarder av år.
Stecker så mye nærmere hjemmet for å finne at Lorentz invarians ikke blir krenket. Han analyserte gammastråler fra to relativt nærliggende galakser omtrent en halv milliard lysår unna med supermassive sorte hull på deres senter, ved navn Markarian (Mkn) 421 og Mkn 501. Disse svarte hullene genererer intense stråler gammastrålefotoner som er rettet direkte mot jorden. Slike galakser kalles blazars. (Se Bilde 4 for et bilde av Mkn 421. Bilder 1 - 3 er kunstnerens konsepter av supermassive sorte hull som driver kvasarer som, når de peker direkte mot Jorden, kalles blazars. Bilde 5 er et Hubble-romteleskopfoto av en blazar.)
Noen av gammastrålene fra Mkn 421 og Mkn 501 kolliderer med infrarøde fotoner i universet. Disse kollisjonene resulterer i ødeleggelse av gammastråler og infrarøde fotoner når energien deres blir omdannet til masse i form av elektroner og positivt ladede antimateriellelektroner (kalt positroner), ifølge Einsteins berømte formel E = mc ^ 2. Stecker og Glashow har påpekt at bevis for utslettelse av gammastråler med høy energi fra Mkn 421 og Mkn 501, hentet fra direkte observasjoner av disse gjenstandene, tydelig viser at Lorentz invarians er levende og vel og ikke blir krenket. Hvis Lorentz invariance ble krenket, ville gammastrålene passere rett gjennom den ekstragalaktiske infrarøde tåken uten å bli tilintetgjort.
Dette er fordi utslettelse krever en viss mengde energi for å skape elektroner og positroner. Dette energibudsjettet er tilfredsstilt for de høyest energiske gammastrålene fra Mkn 501 og Mkn 421 i samspill med infrarøde fotoner hvis begge beveger seg med den velkjente lyshastigheten i henhold til den spesielle relativitetsteorien. Imidlertid, hvis spesielt gammastrålene beveget seg med en lavere hastighet på grunn av brudd på Lorentz invariance, ville den totale tilgjengelige energien være utilstrekkelig og utslettelsesreaksjonen ville være et "no go."
“Implikasjonene av disse resultatene,” sa Stecker, er at hvis Lorentz invarians blir krenket, er det på et så lite nivå - mindre enn en del av en tusen billion - at det er utenfor vår nåværende teknologis evne til å finne. Disse resultatene kan også fortelle oss at den riktige formen for strengteori eller kvantetyngdekraft må overholde prinsippet om Lorentz invarians. ”
For mer informasjon, se “Begrensninger på Lorentz Invariance Violating Quantum Gravity and Large Extra Dimensions Models using High Energy Gamma Ray Observations” online på:
Originalkilde: NASA News Release
