Bildkredit: NASA
Einsteins allmänna relativitetsteori fick ytterligare en bekräftelse denna vecka tack vare forskning från en astronom från NASA. Forskare mätte den totala energin från gammastrålar som släppts ut av en avlägsen gammastrålbristning och fann att de interagerade med partiklar på väg till jorden på ett sådant sätt att de stämde överens med Einstein.
Forskare säger att Albert Einsteins princip om ljusets hastighet håller sig under extremt noggrann granskning, ett fynd som utesluter vissa teorier som förutsäger extra dimensioner och en "skummig" rymdstruktur.
Upptäckten visar också att grundläggande mark- och rymdbaserade observationer av de högsta energi-gammastrålarna, en form av elektromagnetisk energi som ljus, kan ge insikt i själva naturen av tid, materia, energi och rymd på vågen extremt långt under den subatomära nivån - något som få forskare trodde var möjligt.
Dr Floyd Stecker från NASA: s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., Diskuterar följderna av dessa fynd i en nylig utgåva av Astroparticle Physics. Hans arbete bygger delvis på ett tidigare samarbete med Nobelpristagaren Sheldon Glashow från Boston University.
"Det Einstein arbetade med penna och papper för nästan hundra år sedan fortsätter att hålla fast vid vetenskaplig granskning," sade Stecker. "Högenergiobservationer av kosmiska gammastrålar utesluter inte möjligheten till extra dimensioner och begreppet kvanttyngd, men de sätter några strikta begränsningar för hur forskare kan gå till att hitta sådana fenomen."
Einstein uttalade att rum och tid faktiskt var två aspekter av en enda enhet som kallas rymdtid, ett fyrdimensionellt koncept. Detta är grunden till hans teorier om speciell och allmän relativitet. Till exempel ställer generell relativitet att tyngdkraften är resultatet av massförvrängning av rymden, som en bowlingboll på en madrass.
Allmän relativitet är teorin om tyngdkraft i stor skala, medan kvantmekanik, som utvecklats oberoende i början av 1900-talet, är teorin om atom och subatomära partiklar i mycket liten skala. Teorier baserade på kvantmekanik beskriver inte gravitation, utan snarare de andra tre grundläggande krafterna: elektromagnetism (ljus), starka krafter (bindande atomkärnor) och svaga krafter (sett i radioaktivitet).
Forskare har länge hoppats kunna smälta in dessa teorier i en "teori om allt" för att beskriva alla aspekter av naturen. Dessa förenande teorier - såsom kvanttyngd eller strängteori - kan innebära att de rymmer extra dimensioner och även kränkningar av Einsteins speciella relativitetsteori, till exempel att ljusets hastighet är den maximala möjliga hastigheten för alla objekt.
Stecks arbete omfattar begrepp som kallas osäkerhetsprincipen och Lorentz invarians. Osäkerhetsprincipen, härledd från kvantmekanik, innebär att virtuella partiklar, även kallad kvantfluktuationer, på subatomär nivå dyker in och ut ur existensen. Många forskare säger att rymdtiden i sig består av kvantfluktuationer som, när de ses på nära håll, liknar en skum eller "kvantskum." Vissa forskare tror att ett kvantskum av rymdtid kan bromsa ljusets passage - ungefär som att ljuset reser med en maximal hastighet i vakuum men med långsammare hastigheter genom luft eller vatten.
Skummet skulle sänka elektromagnetiska partiklar med högre energi eller fotoner - som röntgenstrålar och gammastrålar - mer än fotoner med lägre energi av synligt ljus eller radiovågor. En sådan grundläggande variation i ljusets hastighet, annorlunda för fotoner med olika energier, skulle bryta mot Lorentz invarians, grundprincipen för den särskilda relativitetsteorin. En sådan överträdelse kan vara en ledtråd som skulle hjälpa till att peka oss på vägen mot enhetsteorier.
Forskare har hoppats kunna hitta sådana Lorentz invariansöverträdelser genom att studera gammastrålar som kommer långt utanför galaxen. En gammastrålningsbrist, till exempel, är på ett så stort avstånd att skillnaderna i hastigheterna för fotoner i bristen, beroende på deras energi, kan vara mätbara - eftersom rymdens kvantskum kan verka för långsamt ljus som har varit reser till oss i miljarder år.
Stecker tittade mycket närmare hemmet för att upptäcka att Lorentz invarians inte kränks. Han analyserade gammastrålar från två relativt närliggande galaxer som ligger ungefär en halv miljard ljusår bort med supermassiva svarta hål i deras centra, med namnet Markarian (Mkn) 421 och Mkn 501. Dessa svarta hål genererar intensiva strålar av gammastrålfotoner som riktas direkt mot jorden. Sådana galaxer kallas blazarer. (Se bild 4 för en bild av Mkn 421. Bilder 1 - 3 är konstnärens begrepp av supermassiva svarta hål som driver kvasarer, som, när de pekas direkt mot jorden, kallas blazars. Bild 5 är ett Hubble Space Telescope-foto av en blazar.)
Några av gammastrålarna från Mkn 421 och Mkn 501 kolliderar med infraröda fotoner i universum. Dessa kollisioner resulterar i förstörelse av gammastrålar och infraröda fotoner eftersom deras energi omvandlas till massa i form av elektroner och positivt laddade antimaterielelektroner (kallas positroner), enligt Einsteins berömda formel E = mc ^ 2. Stecker och Glashow har påpekat att bevis på utrotning av gammastrålarna med hög energi från Mkn 421 och Mkn 501, erhållna från direkta observationer av dessa objekt, tydligt visar att Lorentz invarians är levande och väl och inte kränks. Om Lorentz invarians kränkades skulle gammastrålarna passera rätt genom den extragalaktiska infraröda dimman utan att förintas.
Detta beror på att förintelse kräver en viss mängd energi för att skapa elektroner och positroner. Denna energibudget är nöjd med de högsta energi-gammastrålarna från Mkn 501 och Mkn 421 när de interagerar med infraröda fotoner om båda rör sig med den välkända ljushastigheten enligt den relativa teorin om relativitet. Men om speciellt gammastrålarna rör sig med en långsammare hastighet på grund av Lorentz invariansöverträdelse, skulle den totala tillgängliga energin vara otillräcklig och utrotningsreaktionen skulle vara en "no go".
"Implikationerna av dessa resultat," sade Stecker, är att om Lorentz invarians kränks, är det på en så liten nivå - mindre än en del i tusen biljoner - att det är över vår nuvarande teknik förmåga att hitta. Dessa resultat kan också säga oss att rätt form av strängteori eller kvanttyngd måste följa principen om Lorentz invarians. ”
För mer information, se "Begränsningar för Lorentz Invariance Violating Quantum Gravity and Large Extra Dimensions Models using High Energy Gamma Ray Observations" online på:
Originalkälla: NASA News Release
