Изображение предоставлено NASA
Общая теория относительности Эйнштейна получила еще одно подтверждение на этой неделе благодаря исследованиям астронома из НАСА. Ученые измерили полную энергию гамма-лучей, испускаемых отдаленными гамма-всплесками, и обнаружили, что они взаимодействовали с частицами на пути к Земле таким образом, что они точно соответствовали предсказаниям Эйнштейна.
Ученые говорят, что принцип постоянства скорости света Альберта Эйнштейна выдерживает очень тщательный анализ, что исключает некоторые теории, предсказывающие дополнительные измерения и «пенистую» структуру пространства.
Это открытие также демонстрирует, что базовые наземные и космические наблюдения гамма-лучей с наивысшей энергией, формы электромагнитной энергии, такой как свет, могут дать представление о самой природе времени, вещества, энергии и пространства в масштабах, значительно ниже субатомный уровень - то, что немногие ученые считали возможным.
Д-р Флойд Штекер из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, обсуждает значение этих результатов в недавнем выпуске журнала «Физика астрочастиц». Его работа частично основана на более раннем сотрудничестве с нобелевским лауреатом Шелдоном Глэшоу из Бостонского университета.
«То, что Эйнштейн разработал карандашом и бумагой почти столетие назад, продолжает выдерживать научную проверку», - сказал Штекер. «Высокоэнергетические наблюдения космических гамма-лучей не исключают возможности дополнительных измерений и концепции квантовой гравитации, но они налагают некоторые строгие ограничения на то, как ученые могут найти такие явления».
Эйнштейн заявил, что пространство и время на самом деле являются двумя аспектами единой сущности, называемой пространством-временем, четырехмерной концепцией. Это основа его теории специальной и общей теории относительности. Например, общая теория относительности утверждает, что сила тяжести является результатом искажения пространства-времени, как шар для боулинга на матрасе.
Общая теория относительности - это теория гравитации в больших масштабах, в то время как квантовая механика, независимо разработанная в начале 20-го века, - это теория атомов и субатомных частиц в очень малых масштабах. Теории, основанные на квантовой механике, описывают не гравитацию, а три другие фундаментальные силы: электромагнетизм (свет), сильные силы (связывающие атомные ядра) и слабые силы (наблюдаемые в радиоактивности).
Ученые долго надеялись объединить эти теории в одну «теорию всего», чтобы описать все аспекты природы. Эти объединяющие теории - такие как квантовая гравитация или теория струн - могут включать вызов дополнительных измерений пространства, а также нарушение специальной теории относительности Эйнштейна, такой как скорость света, являющаяся максимально достижимой скоростью для всех объектов.
Работа Штекера включает в себя концепции, называемые принципом неопределенности и лоренц-инвариантности. Принцип неопределенности, выведенный из квантовой механики, подразумевает, что на субатомном уровне виртуальные частицы, также называемые квантовыми флуктуациями, появляются и исчезают. Многие ученые говорят, что само пространство состоит из квантовых флуктуаций, которые, если смотреть близко, напоминают пену или «квантовую пену». Некоторые ученые считают, что квантовая пена пространства-времени может замедлять прохождение света - подобно тому, как свет распространяется с максимальной скоростью в вакууме, но с более медленными скоростями в воздухе или воде.
Пена будет замедлять электромагнитные частицы с более высокой энергией или фотоны, такие как рентгеновские и гамма-лучи, больше, чем фотоны с более низкой энергией видимого света или радиоволны. Такое фундаментальное изменение скорости света, отличающееся для фотонов разных энергий, нарушило бы инвариантность Лоренца, основной принцип специальной теории относительности. Такое нарушение может быть подсказкой, которая поможет нам на пути к теориям объединения.
Ученые надеялись обнаружить такие нарушения инвариантности Лоренца, изучая гамма-лучи, выходящие далеко за пределы Галактики. Например, гамма-всплеск находится на таком большом расстоянии, что различия в скоростях фотонов в вспышке, в зависимости от их энергии, могут быть измеримыми, поскольку квантовая пена космоса может действовать, замедляя свет, который был путешествовать к нам на протяжении миллиардов лет.
Штекер посмотрел намного ближе к дому и обнаружил, что инвариантность Лоренца не нарушается. Он проанализировал гамма-излучение от двух относительно близких галактик, расположенных на расстоянии около полумиллиарда световых лет от центра сверхмассивных черных дыр, названных Markarian (Mkn) 421 и Mkn 501. Эти черные дыры генерируют интенсивные пучки фотонов гамма-излучения, которые направлены непосредственно на Земля. Такие галактики называются блазарами. (См. Изображение 4 для изображения Mkn 421. Изображения 1 - 3 представляют концепцию художника о сверхмассивных черных дырах, питающих квазары, которые, когда они направлены прямо на Землю, называются блазарами. Изображение 5 представляет собой фотографию блазара на космическом телескопе Хаббла.)
Некоторые из гамма-лучей от Mkn 421 и Mkn 501 сталкиваются с инфракрасными фотонами во Вселенной. Эти столкновения приводят к разрушению гамма-лучей и инфракрасных фотонов, поскольку их энергия преобразуется в массу в форме электронов и положительно заряженных электронов антивещества (называемых позитронами), согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc ^ 2. Штекер и Глэшоу указали, что свидетельство аннигиляции гамма-лучей с самой высокой энергией от Mkn 421 и Mkn 501, полученное в результате прямых наблюдений за этими объектами, ясно демонстрирует, что инвариантность Лоренца жива и здорова и не нарушается. Если бы нарушалась инвариантность Лоренца, гамма-лучи проходили бы сквозь внегалактический инфракрасный туман без уничтожения.
Это потому, что аннигиляция требует определенного количества энергии для создания электронов и позитронов. Этот энергетический баланс удовлетворяется для гамма-лучей с самой высокой энергией от Mkn 501 и Mkn 421 при взаимодействии с инфракрасными фотонами, если они движутся с известной скоростью света согласно специальной теории относительности. Однако, если бы гамма-лучи, в частности, двигались с меньшей скоростью из-за нарушения инвариантности Лоренца, общая доступная энергия была бы недостаточной, и реакция аннигиляции была бы «бесполезной».
«Последствия этих результатов, - сказал Штекер, - заключаются в том, что если нарушается инвариантность Лоренца, то на таком маленьком уровне - менее одной части на тысячу триллионов - это не под силу нашей нынешней технологии». Эти результаты могут также указывать на то, что правильная форма теории струн или квантовой гравитации должна подчиняться принципу лоренц-инвариантности ».
Для получения дополнительной информации обратитесь к разделу «Ограничения на модели квантовой гравитации и больших экстремумов с нарушением инвариантности Лоренца с использованием высокоэнергетических наблюдений гамма-лучей» по адресу:
Первоисточник: пресс-релиз НАСА
