Afbeelding tegoed: NASA
Einsteins algemene relativiteitstheorie kreeg deze week nog een bevestiging dankzij onderzoek door een astronoom van NASA. Wetenschappers maten de totale energie van gammastraling die wordt uitgezonden door een verre gammastraaluitbarsting en ontdekten dat ze op hun weg naar de aarde interactie hadden met deeltjes op een manier die precies overeenkwam met de voorspellingen van Einstein.
Wetenschappers zeggen dat Albert Einsteins principe van de constantheid van de lichtsnelheid standhoudt onder extreem nauwlettend onderzoek, een bevinding die bepaalde theorieën uitsluit die extra dimensies voorspellen en een "schuimig" weefsel van de ruimte.
De bevinding toont ook aan dat basisobservaties op de grond en in de ruimte van de meest energetische gammastralen, een vorm van elektromagnetische energie zoals licht, inzicht kunnen verschaffen in de aard van tijd, materie, energie en ruimte op schalen extreem ver beneden het subatomaire niveau - iets dat maar weinig wetenschappers voor mogelijk hielden.
Dr. Floyd Stecker van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md., Bespreekt de implicaties van deze bevindingen in een recent nummer van Astroparticle Physics. Zijn werk is deels gebaseerd op een eerdere samenwerking met Nobelprijswinnaar Sheldon Glashow van Boston University.
"Wat Einstein bijna een eeuw geleden met potlood en papier heeft uitgewerkt, blijft wetenschappelijke controle verdragen", aldus Stecker. "High-energy waarnemingen van kosmische gammastralen sluiten de mogelijkheid van extra dimensies en het concept van kwantumzwaartekracht niet uit, maar ze leggen wel een aantal strikte beperkingen op hoe wetenschappers dergelijke fenomenen kunnen vinden."
Einstein stelde dat ruimte en tijd eigenlijk twee aspecten waren van een enkele entiteit die ruimtetijd wordt genoemd, een vierdimensionaal concept. Dit is de basis van zijn theorieën over speciale en algemene relativiteit. Zo stelt de algemene relativiteitstheorie dat de zwaartekracht het gevolg is van massavervormende ruimtetijd, zoals een bowlingbal op een matras.
Algemene relativiteit is de theorie van de zwaartekracht op grote schaal, terwijl de kwantummechanica, onafhankelijk ontwikkeld in het begin van de 20e eeuw, de theorie is van de atoom- en subatomaire deeltjes op zeer kleine schaal. Theorieën gebaseerd op kwantummechanica beschrijven niet de zwaartekracht, maar eerder de andere drie fundamentele krachten: elektromagnetisme (licht), sterke krachten (bindende atoomkernen) en zwakke krachten (gezien in radioactiviteit).
Wetenschappers hebben er lang op gehoopt deze theorieën samen te voegen tot één 'theorie van alles' om alle aspecten van de natuur te beschrijven. Deze verenigende theorieën - zoals kwantumzwaartekracht of snaartheorie - kunnen betrekking hebben op het aanroepen van extra ruimtedimensies en ook op schendingen van Einsteins speciale relativiteitstheorie, zoals de lichtsnelheid die de maximaal haalbare snelheid is voor alle objecten.
Het werk van Stecker omvat concepten die het onzekerheidsprincipe en Lorentz-invariantie worden genoemd. Het onzekerheidsprincipe, afgeleid van de kwantummechanica, houdt in dat op subatomair niveau virtuele deeltjes, ook wel quantumfluctuaties genoemd, in en uit het bestaan springen. Veel wetenschappers zeggen dat de ruimtetijd zelf bestaat uit kwantumfluctuaties die, van dichtbij bekeken, lijken op een schuim of 'kwantumschuim'. Sommige wetenschappers denken dat een kwantumschuim van ruimtetijd de doorgang van licht kan vertragen - net zoals licht met een maximale snelheid in een vacuüm reist, maar met lagere snelheden door lucht of water.
Het schuim zou elektromagnetische deeltjes met een hogere energie of fotonen - zoals röntgenstralen en gammastraling - meer vertragen dan fotonen met zichtbaar licht of radiogolven met een lagere energie. Een dergelijke fundamentele variatie in de lichtsnelheid, verschillend voor fotonen met verschillende energieën, zou de invariantie van Lorentz schenden, het basisprincipe van de speciale relativiteitstheorie. Een dergelijke overtreding zou een aanwijzing kunnen zijn die ons op weg zou kunnen helpen naar theorieën over de eenmaking.
Wetenschappers hebben gehoopt dergelijke Lorentz-schendingen van de onveranderlijkheid te vinden door gammastraling van ver buiten de Melkweg te bestuderen. Een gammastraaluitbarsting bevindt zich bijvoorbeeld op zo'n grote afstand dat de verschillen in de snelheid van fotonen in de uitbarsting, afhankelijk van hun energie, meetbaar kunnen zijn - aangezien het kwantumschuim van de ruimte kan werken om licht te vertragen dat is miljarden jaren naar ons reizen.
Stecker keek veel dichter bij huis om te ontdekken dat de Lorentz-invariantie niet wordt geschonden. Hij analyseerde gammastraling van twee relatief nabije sterrenstelsels op ongeveer een half miljard lichtjaar afstand met superzware zwarte gaten in hun centra, genaamd Markarian (Mkn) 421 en Mkn 501. Deze zwarte gaten genereren intense bundels gammastraalfotonen die rechtstreeks op de aarde. Dergelijke sterrenstelsels worden blazars genoemd. (Zie afbeelding 4 voor een afbeelding van Mkn 421. Afbeeldingen 1 - 3 zijn artistieke concepten van superzware zwarte gaten die quasars aandrijven die, wanneer ze rechtstreeks op de aarde gericht zijn, blazars worden genoemd. Afbeelding 5 is een Hubble-ruimtetelescoopfoto van een blazar.)
Sommige gammastralen van Mkn 421 en Mkn 501 botsen met infraroodfotonen in het heelal. Deze botsingen leiden tot de vernietiging van de gammastralen en infraroodfotonen terwijl hun energie wordt omgezet in massa in de vorm van elektronen en positief geladen antimaterie-elektronen (positronen genoemd), volgens de beroemde formule van Einstein, E = mc ^ 2. Stecker en Glashow hebben erop gewezen dat het bewijs van de vernietiging van gammastralen met de hoogste energie van Mkn 421 en Mkn 501, verkregen uit directe waarnemingen van deze objecten, duidelijk aantoont dat Lorentz-invariantie springlevend is en niet wordt geschonden. Als de Lorentz-invariantie werd geschonden, zouden de gammastralen dwars door de extragalactische infrarode mist gaan zonder vernietigd te worden.
Dit komt omdat vernietiging een bepaalde hoeveelheid energie vereist om de elektronen en positronen te creëren. Aan dit energiebudget is voldaan voor de meest energetische gammastralen van Mkn 501 en Mkn 421 bij interactie met infraroodfotonen als beide bewegen met de bekende lichtsnelheid volgens de speciale relativiteitstheorie. Als echter met name de gammastralen met een lagere snelheid zouden bewegen vanwege Lorentz-invariantieovertreding, zou de totale beschikbare energie ontoereikend zijn en zou de vernietigingsreactie een "no-go" zijn.
"De implicaties van deze resultaten," zei Stecker, "is dat als Lorentz-invariantie wordt geschonden, het op zo'n klein niveau is - minder dan een deel op duizend biljoen - dat het onze huidige technologie niet kan vinden. Deze resultaten kunnen ons ook vertellen dat de juiste vorm van snaartheorie of kwantumzwaartekracht moet voldoen aan het principe van Lorentz-invariantie. ”
Voor meer informatie, zie "Beperkingen op Lorentz Invariance die kwantumzwaartekracht schenden en modellen met grote extra dimensies met behulp van hoogenergetische gammastraalwaarnemingen" online op:
Oorspronkelijke bron: NASA News Release
