Кредит за изображение: НАСА
Общата теория на относителността на Айнщайн получи още едно потвърждение тази седмица благодарение на изследвания на астроном от НАСА. Учените измерват общата енергия на гама лъчи, излъчвани от далечни изблици на гама лъчи и откриват, че те си взаимодействат с частици по пътя си към Земята по такъв начин, че точно да съответстват на прогнозите на Айнщайн.
Учените казват, че принципът на Алберт Айнщайн за постоянството на скоростта на светлината се държи под изключително строг контрол, като констатира, че изключва някои теории, предвиждащи допълнителни измерения и "пениста" тъкан на космоса.
Констатацията също така показва, че основните наземни и космически наблюдения на най-високоенергийните гама-лъчи, форма на електромагнитна енергия като светлина, могат да дадат представа за самата природа на времето, материята, енергията и пространството в мащаби изключително далеч отдолу субатомното ниво - нещо, което малко учени смятаха за възможно.
Д-р Флойд Стейкър от Центъра за космически полети на Годард на НАСА в Грийнбелт, Md., Обсъжда последиците от тези открития в неотдавнашен брой на „Физика на астрочастиците“. Работата му се основава отчасти на по-ранна колаборация с Нобеловия лауреат Шелдън Глашоу от Бостънския университет.
„Това, което Айнщайн е изработил с молив и хартия преди близо век, продължава да се занимава с научен контрол“, казва Стекер. „Високоенергийните наблюдения на космическите гама лъчи не изключват възможността за допълнителни измерения и концепцията за квантовата гравитация, но те поставят някои строги ограничения за това как учените могат да намерят намирането на такива явления.“
Айнщайн заяви, че пространството и времето всъщност са два аспекта на едно цяло, наречено пространство-време, четириизмерна концепция. Това е основата на неговите теории за специална и обща относителност. Например, общата относителност показва, че силата на гравитацията е резултат от масово изкривяване на пространственото време, като топка за боулинг върху матрак.
Общата относителност е теорията на гравитацията в голям мащаб, докато квантовата механика, разработена независимо в началото на 20 век, е теория за атома и субатомните частици в много малък мащаб. Теории, базирани на квантовата механика, не описват гравитацията, а по-скоро другите три основни сили: електромагнетизъм (светлина), силни сили (свързващи атомни ядра) и слаби сили (наблюдавани в радиоактивността).
Учените отдавна се надяват да обединят тези теории в една „теория на всичко“, за да опишат всички аспекти на природата. Тези обединяващи теории - като квантова гравитация или теория на струните - могат да включват извикване на допълнителни измерения на пространството, а също и нарушаване на специалната теория на относителността на Айнщайн, като скоростта на светлината е максимално достижимата скорост за всички обекти.
Работата на Stecker включва концепции, наречени принцип на несигурност и инвариантност на Лоренц. Принципът на несигурност, извлечен от квантовата механика, предполага, че на субатомното ниво виртуалните частици, наричани още квантови флуктуации, изскачат и съществуват. Много учени казват, че самото космическо време се състои от квантови колебания, които, когато се гледат отблизо, приличат на пяна или „квантова пяна“. Някои учени смятат, че квантовата пяна в космическото време може да забави преминаването на светлината - толкова, колкото светлината пътува с максимална скорост във вакуум, но с по-ниска скорост през въздух или вода.
Пяната би забавила по-високоенергийните електромагнитни частици или фотоните - като рентгенови лъчи и гама лъчи - повече от фотоните с по-ниска енергия на видима светлина или радиовълни. Такава фундаментална промяна в скоростта на светлината, различна за фотоните с различни енергии, би нарушила инвариантността на Лоренц, основният принцип на специалната теория на относителността. Подобно нарушение може да бъде улика, която да ни помогне да насочим пътя към обединителните теории.
Учените се надяват да открият подобни нарушения на инвариантността на Лоренц, като изучават гама лъчи, идващи от далеч извън Галактиката. Например, избухването на гама-лъчи е на толкова голямо разстояние, че разликите в скоростите на фотоните при избухването, в зависимост от тяхната енергия, могат да бъдат измерими - тъй като квантовата пяна на пространството може да действа на бавна светлина, която е била пътува при нас милиарди години.
Стекер погледна много по-близо до дома, за да открие, че инвариантността на Лоренц не се нарушава. Той анализира гама-лъчи от две сравнително близки галактики на около половин милиард светлинни години със свръхмасивни черни дупки в техните центрове, наречени Маркарян (Mkn) 421 и Mkn 501. Тези черни дупки генерират интензивни лъчи от фотони на гама-лъчи, които са насочени директно към Земята. Такива галактики се наричат блазари. (Вижте изображение 4 за снимка на Mkn 421. Изображения 1 - 3 са концепции на художника за свръхмасивни черни дупки, захранващи квазари, които, когато са насочени директно към Земята, се наричат блазари. Изображение 5 е снимка на космическия телескоп на Хъбъл.)
Някои от гама-лъчите от Mkn 421 и Mkn 501 се сблъскват с инфрачервени фотони във Вселената. Тези сблъсъци водят до унищожаване на гама-лъчите и инфрачервените фотони, тъй като тяхната енергия се преобразува в маса под формата на електрони и положително заредени антиматериални електрони (наречени позитрони), съгласно известната формула на Айнщайн E = mc ^ 2. Stecker и Glashow посочиха, че доказателства за унищожаването на най-високо енергийните гама-лъчи от Mkn 421 и Mkn 501, получени от директни наблюдения на тези обекти, ясно показват, че инвариантността на Лоренц е жива и здрава и не се нарушава. Ако инвариантността на Лоренц беше нарушена, гама лъчите щяха да преминат право през екстрагалактичната инфрачервена мъгла, без да бъдат унищожени.
Това е така, защото за унищожаването е необходимо определено количество енергия, за да се създадат електроните и позитроните. Този енергиен бюджет е удовлетворен за най-енергийните гама-лъчи от Mkn 501 и Mkn 421 при взаимодействие с инфрачервени фотони, ако и двата се движат с добре познатата скорост на светлината според специалната теория на относителността. Ако обаче, по-специално, гама-лъчите се движат с по-ниска скорост поради нарушение на инвариантността на Лоренц, общата налична енергия би била недостатъчна и реакцията на унищожаване би била „не върви“.
"Последиците от тези резултати", каза Стекер, е, че ако инвариантността на Лоренц бъде нарушена, тя е на толкова малко ниво - по-малко от една част от хиляда трилиона -, че е извън възможностите на нашата съвременна технология да намери. Тези резултати могат да ни показват, че правилната форма на теория на струните или квантова гравитация трябва да се подчинява на принципа на инвариантността на Лоренц. “
За повече информация вижте “Ограничения за квантовата гравитация и големи допълнителни размери на Lorentz Invariance, които използват високоенергийни наблюдения на Gamma Ray” онлайн на:
Оригинален източник: NASA News Release
