Bildkredit: NASA
Einsteins allmänna relativitetsteori fick ytterligare en bekräftelse denna vecka tack vare forskning av en astronom från NASA. Vissa teoretiker trodde att partiklar som dyker in i och ut ur existensen i rymden skulle sakta ner ljuset, som om det rörde sig genom luft eller vatten. Forskare mätte den totala energin av gammastrålar som sänds ut av en avlägsen gammastrålning och fann att de interagerade med partiklar på väg till jorden på ett sådant sätt som exakt matchade förutsägelser från Einstein.
Forskare säger att Albert Einsteins princip om ljusets hastighets konstanthet håller sig under extremt noggrann granskning, ett fynd som utesluter vissa teorier som förutsäger extra dimensioner och en 'skummande' rymdväv.
Fyndet visar också att grundläggande mark- och rymdbaserade observationer av gammastrålning med högsta energi, en form av elektromagnetisk energi som ljus, kan ge insikt i själva naturen av tid, materia, energi och rymd på skalor 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 konsekvenserna av dessa fynd i ett färskt nummer av Astroparticle Physics. Hans arbete bygger delvis på ett tidigare samarbete med Nobelpristagaren Sheldon Glashow vid Boston University.
'Det Einstein arbetade fram med penna och papper för nästan ett sekel sedan fortsätter att hålla upp till vetenskaplig granskning,' sa Stecker. 'Högenergiobservationer av kosmisk gammastrålning utesluter inte möjligheten till extra dimensioner och konceptet med kvantgravitation, men de sätter vissa strikta begränsningar för hur forskare kan gå tillväga för att hitta sådana fenomen.'
Einstein påstod att rum och tid faktiskt var två aspekter av en enda varelse som kallas rumtid, ett fyrdimensionellt koncept. Detta är grunden till hans teorier om speciell och allmän relativitet. Till exempel, generell relativitetsteori hävdar att tyngdkraften är resultatet av massförvrängning av rumtiden, som ett bowlingklot på en madrass.
Allmän relativitetsteorin är teorin om gravitation i stor skala, medan kvantmekaniken, som utvecklades oberoende i början av 1900-talet, är teorin om atomen och subatomära partiklar i mycket liten skala. Teorier baserade på kvantmekanik beskriver inte gravitationen, utan snarare de andra tre grundläggande krafterna: elektromagnetism (ljus), starka krafter (bindande atomkärnor) och svaga krafter (sedda i radioaktivitet).
Forskare har länge hoppats kunna smälta dessa teorier till en 'teori om allt' för att beskriva alla aspekter av naturen. Dessa förenande teorier - som kvantgravitation eller strängteori - kan involvera anropandet av extra dimensioner av rymden och även kränkningar av Einsteins speciella relativitetsteori, som att ljusets hastighet är den maximalt uppnåbara hastigheten för alla objekt.
Steckers arbete involverar begrepp som kallas osäkerhetsprincipen och Lorentz invarians. Osäkerhetsprincipen, härledd från kvantmekaniken, innebär att på subatomär nivå dyker virtuella partiklar, även kallade kvantfluktuationer, in och ut ur existensen. Många forskare säger att rumtiden i sig är uppbyggd av kvantfluktuationer som, när de ses på nära håll, liknar ett skum eller 'kvantskum'. Vissa forskare tror att ett kvantskum av rymdtiden kan bromsa ljusets passage - ungefär som ljus färdas med maximal hastighet i ett vakuum men med lägre hastigheter genom luft eller vatten.
Skummet skulle bromsa elektromagnetiska partiklar med högre energi, eller fotoner - såsom röntgenstrålar och gammastrålar - mer än fotoner med lägre energi av synligt ljus eller radiovågor. En sådan grundläggande variation i ljusets hastighet, olika för fotoner med olika energier, skulle bryta mot Lorentz-invariansen, grundprincipen för den speciella relativitetsteorin. En sådan kränkning kan vara en ledtråd som skulle hjälpa oss att peka på vägen mot teorier om enande.
Forskare har hoppats hitta sådana Lorentz-invariansbrott genom att studera gammastrålar som kommer från långt utanför galaxen. En gammastrålningsskur, till exempel, är på ett så stort avstånd att skillnaderna i hastigheten för fotoner i skuren, beroende på deras energi, kan vara mätbara - eftersom rymdens kvantskum kan verka för att bromsa ljus som har varit reser till oss i miljarder år.
Stecker tittade mycket närmare hemmet för att finna att Lorentz-invariansen inte kränks. Han analyserade gammastrålar från två relativt närliggande galaxer på cirka en halv miljard ljusår bort med supermassiva svarta hål i sina centra, namngivna Markarian (Mkn) 421 och Mkn 501. Dessa svarta hål genererar intensiva strålar av gammastrålningsfotoner som är riktade direkt mot jorden. Sådana galaxer kallas blazarer. (Se bild 4 för en bild av Mkn 421. Bild 1 – 3 är konstnärens koncept av supermassiva svarta hål som driver kvasarer som, när de pekar direkt mot jorden, kallas blazarer. 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 att gammastrålar och infraröda fotoner förstörs när deras energi omvandlas till massa i form av elektroner och positivt laddade antimateria-elektroner (kallade positroner), enligt Einsteins berömda formel E=mc^2. Stecker och Glashow har påpekat att bevis på förintelsen av gammastrålar med högsta energi från Mkn 421 och Mkn 501, erhållna från direkta observationer av dessa objekt, visar tydligt att Lorentz invarians lever och mår bra och inte kränks. Om Lorentz-invariansen kränktes, skulle gammastrålarna passera rakt igenom den extragalaktiska infraröda dimman utan att förintas.
Detta beror på att förintelse kräver en viss mängd energi för att skapa elektronerna och positronerna. Denna energibudget är tillfredsställd för gammastrålar med högsta energi från Mkn 501 och Mkn 421 i interaktion med infraröda fotoner om båda rör sig med den välkända ljushastigheten enligt den speciella relativitetsteorin. Men om i synnerhet gammastrålarna rörde sig med en långsammare hastighet på grund av Lorentz invariansöverträdelse, skulle den totala tillgängliga energin vara otillräcklig och förintelsereaktionen skulle vara en 'no go'.
'Konsekvenserna av dessa resultat,' sa Stecker, 'är att om Lorentz-invariansen kränks, är det på en så liten nivå - mindre än en del på tusen biljoner - som det är bortom vår nuvarande tekniks förmåga att hitta. Dessa resultat kan också tala om för oss att den korrekta formen av strängteori eller kvantgravitation måste följa principen om Lorentz invarians.'
För mer information, se 'Begränsningar på Lorentz-invarians som bryter mot kvantgravitation och modeller med stora extra dimensioner som använder högenergi-gammastrålningsobservationer' online på:
http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0308214
Ursprunglig källa: Nyhetsmeddelande från NASA