Kuvan luotto: NASA
Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria sai tällä viikolla toisen vahvistuksen NASAn tähtitieteilijän tutkimuksen ansiosta. Jotkut teoreetikot uskoivat, että hiukkaset, jotka ponnahtavat avaruuteen ja poistuvat avaruudesta, hidastavat valoa, ikään kuin se liikkuisi ilman tai veden läpi. Tiedemiehet mittasivat kaukaisten gammapurkausten lähettämien gammasäteiden kokonaisenergian ja havaitsivat, että ne olivat vuorovaikutuksessa hiukkasten kanssa matkalla Maahan tavalla, joka vastasi tarkasti Einsteinin ennusteita.
Tiedemiehet sanovat, että Albert Einsteinin periaate valonnopeuden pysyvyydestä kestää äärimmäisen tiukan tarkastelun, mikä sulkee pois tietyt teoriat, jotka ennustavat ylimääräisiä ulottuvuuksia ja 'vaahtoavaa' avaruuden kangasta.
Löytö osoittaa myös, että maa- ja avaruuspohjaiset perushavainnot korkeimman energian gammasäteistä, sähkömagneettisen energian muodoista, kuten valosta, voivat antaa käsityksen ajan, aineen, energian ja avaruuden luonteesta äärimmäisen paljon alemmissa mittakaavassa. subatominen taso – mitä harvat tiedemiehet pitivät mahdollisena.
Tohtori Floyd Stecker NASAn Goddard Space Flight Centeristä Greenbeltissä, Md., käsittelee näiden löydösten vaikutuksia äskettäisessä Astroparticle Physicsin numerossa. Hänen työnsä perustuu osittain aikaisempaan yhteistyöhön Bostonin yliopiston Nobel-palkitun Sheldon Glashow'n kanssa.
'Se, mitä Einstein kehitti kynällä ja paperilla lähes sata vuotta sitten, kestää edelleen tieteellistä tarkastelua', Stecker sanoi. 'Kosmisen gammasäteiden korkeaenergiset havainnot eivät sulje pois ylimääräisten ulottuvuuksien mahdollisuutta ja kvanttigravitaation käsitettä, mutta ne asettavat tiukkoja rajoituksia sille, kuinka tiedemiehet voivat löytää tällaisia ilmiöitä.'
Einstein totesi, että avaruus ja aika olivat itse asiassa kaksi aspektia yhdestä tila-ajasta, neliulotteisesta käsitteestä. Tämä on hänen erityis- ja yleissuhteellisuusteorioidensa perusta. Esimerkiksi yleinen suhteellisuusteoria olettaa, että painovoima on seurausta massasta, joka vääristää aika-avaruutta, kuten keilapallo patjalla.
Yleinen suhteellisuusteoria on painovoimateoria suuressa mittakaavassa, kun taas 1900-luvun alussa itsenäisesti kehitetty kvanttimekaniikka on teoria atomeista ja subatomisista hiukkasista hyvin pienessä mittakaavassa. Kvanttimekaniikkaan perustuvat teoriat eivät kuvaa painovoimaa, vaan kolmea muuta perusvoimaa: sähkömagnetismia (valoa), voimakkaita voimia (atomiytimiä sitovia) ja heikkoja voimia (näkyy radioaktiivisuudessa).
Tiedemiehet ovat pitkään toivoneet yhdistävänsä nämä teoriat yhdeksi 'kaiken teoriaksi' kuvaamaan kaikkia luonnon näkökohtia. Nämä yhdistävät teoriat - kuten kvanttigravitaatio tai merkkijonoteoria - voivat sisältää avaruuden ylimääräisten ulottuvuuksien käyttöönoton ja myös Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian rikkomisen, kuten valonnopeuden, joka on suurin saavutettava nopeus kaikille kohteille.
Steckerin työ sisältää käsitteitä, joita kutsutaan epävarmuusperiaatteeksi ja Lorentzin invarianssiksi. Kvanttimekaniikasta johdettu epävarmuusperiaate tarkoittaa, että subatomitasolla virtuaalihiukkasia, joita kutsutaan myös kvanttivaihteluiksi, ponnahtaa sisään ja ulos olemassaolosta. Monet tutkijat sanovat, että aika-avaruus itsessään koostuu kvanttivaihteluista, jotka läheltä katsottuna muistuttavat vaahtoa tai 'kvanttivaahtoa'. Jotkut tutkijat ajattelevat, että aika-avaruuden kvanttivaahto voi hidastaa valon kulkua - aivan kuten valo kulkee suurimmalla nopeudella tyhjiössä, mutta hitaammin ilman tai veden läpi.
Vaahto hidastaisi korkeamman energian sähkömagneettisia hiukkasia tai fotoneja - kuten röntgensäteitä ja gammasäteitä - enemmän kuin näkyvän valon tai radioaaltojen alhaisemman energian fotoneja. Tällainen perustavanlaatuinen valonnopeuden vaihtelu, joka on erilainen eri energioiden omaaville fotoneille, rikkoisi Lorentzin invarianssia, joka on erityissuhteellisuusteorian perusperiaate. Tällainen rikkomus voisi olla vihje, joka auttaisi meitä osoittamaan tiellä yhdistämisteorioihin.
Tiedemiehet ovat toivoneet löytävänsä tällaisia Lorentzin invarianssirikkomuksia tutkimalla kaukaa galaksin ulkopuolelta tulevia gammasäteitä. Esimerkiksi gammapurkaus on niin suurella etäisyydellä, että purskeen fotonien nopeuksien erot niiden energiasta riippuen voivat olla mitattavissa – koska avaruuden kvanttivaahto voi vaikuttaa valon hidastamiseen, joka on matkustaa meille miljardeja vuosia.
Stecker katsoi paljon lähemmäs kotiaan huomatakseen, ettei Lorentzin invarianssia rikota. Hän analysoi gammasäteitä kahdesta suhteellisen läheisestä galaksista, jotka olivat noin puolen miljardin valovuoden päässä ja joiden keskuksissa oli supermassiivisia mustia aukkoja, nimeltään Markarian (Mkn) 421 ja Mkn 501. Nämä mustat aukot tuottavat voimakkaita gammasäteen fotoninsäteitä, jotka on suunnattu suoraan maapallo. Tällaisia galakseja kutsutaan blazareiksi. (Katso kuvasta 4 Mkn 421:n kuva. Kuvat 1–3 ovat taiteilijan käsityksiä supermassiivisista mustista aukoista, jotka saavat virtaa kvasaareiksi, joita kutsutaan blasaareiksi, kun ne kohdistetaan suoraan Maahan. Kuva 5 on Hubble-avaruusteleskoopin valokuva blasaarista.)
Osa Mkn 421:n ja Mkn 501:n gammasäteistä törmää universumin infrapunafotoniin. Nämä törmäykset johtavat gammasäteiden ja infrapunafotonien tuhoutumiseen, kun niiden energia muuttuu massaksi elektronien ja positiivisesti varautuneiden antimateriaelektronien (kutsutaan positroneiksi) muodossa Einsteinin kuuluisan kaavan E=mc^2 mukaisesti. Stecker ja Glashow ovat huomauttaneet, että todisteet Mkn 421:n ja Mkn 501:n suurimman energian gammasäteiden tuhoutumisesta, jotka on saatu suorista havainnoista näistä kohteista, osoittavat selvästi, että Lorentzin invarianssi on elossa ja voi hyvin eikä sitä rikota. Jos Lorentzin invarianssia rikottaisiin, gammasäteet kulkisivat suoraan ekstragalaktisen infrapunasumun läpi tuhoutumatta.
Tämä johtuu siitä, että tuhoutuminen vaatii tietyn määrän energiaa elektronien ja positronien luomiseksi. Tämä energiabudjetti tyydytetään Mkn 501:n ja Mkn 421:n suurimman energian gammasäteille vuorovaikutuksessa infrapunafotonien kanssa, jos molemmat liikkuvat tunnetulla valonnopeudella erityisen suhteellisuusteorian mukaan. Kuitenkin, jos erityisesti gammasäteet liikkuisivat hitaammin Lorentzin invarianssin rikkomisen vuoksi, käytettävissä oleva kokonaisenergia olisi riittämätön ja tuhoutumisreaktio olisi 'ei mennä'.
'Näiden tulosten seuraukset', Stecker sanoi, 'on se, että jos Lorentzin invarianssia rikotaan, se on niin pienellä tasolla - vähemmän kuin yksi osa tuhannesta biljoonasta -, että nykyisen teknologiamme kyky ei sitä löydä. Nämä tulokset voivat myös kertoa meille, että merkkijonoteorian tai kvanttigravitaation oikean muodon on noudatettava Lorentzin invarianssin periaatetta.
Lisätietoja on kohdassa 'Kvanttipainovoimaa rikkovien Lorentzin invarianssin ja suurten ylimittaisten mallien rajoitukset, jotka käyttävät korkean energian gammasädehavaintoja' verkossa osoitteessa:
http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0308214
Alkuperäinen lähde: NASA:n uutistiedote