Credito d'immagine: NASA
La teoria della relatività generale di Einstein ha ricevuto un'altra conferma questa settimana grazie alle ricerche di un astronomo della NASA. Gli scienziati hanno misurato l'energia totale dei raggi gamma emessi da esplosioni di raggi gamma distanti e hanno scoperto che stavano interagendo con le particelle sulla loro strada verso la Terra in modo tale da corrispondere esattamente alle previsioni di Einstein.
Gli scienziati affermano che il principio di Albert Einstein sulla costanza della velocità della luce regge sotto controllo estremamente stretto, una scoperta che esclude alcune teorie che prevedono dimensioni extra e un tessuto "schiumoso" di spazio.
La scoperta dimostra anche che le osservazioni di base a terra e nello spazio dei raggi gamma a più alta energia, una forma di energia elettromagnetica come la luce, possono fornire informazioni sulla natura stessa del tempo, della materia, dell'energia e dello spazio su scale estremamente lontane il livello subatomico - qualcosa che pochi scienziati ritenevano possibile.
Il dottor Floyd Stecker del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Md., Discute le implicazioni di questi risultati in un recente numero di Astroparticle Physics. Il suo lavoro si basa in parte su una precedente collaborazione con il premio Nobel Sheldon Glashow della Boston University.
"Ciò che Einstein ha risolto con carta e matita quasi un secolo fa continua a resistere al controllo scientifico", ha affermato Stecker. "Le osservazioni ad alta energia dei raggi gamma cosmici non escludono la possibilità di dimensioni extra e il concetto di gravità quantistica, ma pongono alcuni vincoli rigorosi su come gli scienziati possono andare alla ricerca di tali fenomeni."
Einstein affermò che lo spazio e il tempo erano in realtà due aspetti di una singola entità chiamata spaziotempo, un concetto a quattro dimensioni. Questo è il fondamento delle sue teorie sulla relatività speciale e generale. Ad esempio, la relatività generale presuppone che la forza di gravità sia il risultato della distorsione della massa dello spaziotempo, come una palla da bowling su un materasso.
La relatività generale è la teoria della gravità su larga scala, mentre la meccanica quantistica, sviluppata in modo indipendente all'inizio del XX secolo, è la teoria dell'atomo e delle particelle subatomiche su scala molto piccola. Le teorie basate sulla meccanica quantistica non descrivono la gravità, ma piuttosto le altre tre forze fondamentali: elettromagnetismo (luce), forze forti (nuclei atomici leganti) e forze deboli (viste nella radioattività).
Gli scienziati hanno da tempo sperato di fondere queste teorie in una "teoria di tutto" per descrivere tutti gli aspetti della natura. Queste teorie unificanti - come la gravità quantistica o la teoria delle stringhe - possono comportare l'invocazione di dimensioni extra dello spazio e anche violazioni della teoria della relatività speciale di Einstein, come la velocità della luce che è la massima velocità raggiungibile per tutti gli oggetti.
Il lavoro di Stecker comprende concetti chiamati principio di incertezza e invarianza di Lorentz. Il principio di incertezza, derivato dalla meccanica quantistica, implica che a livello subatomico le particelle virtuali, chiamate anche fluttuazioni quantistiche, entrano ed escono dall'esistenza. Molti scienziati affermano che lo spazio-tempo stesso è costituito da fluttuazioni quantistiche che, se osservate da vicino, assomigliano a una schiuma o "schiuma quantica". Alcuni scienziati pensano che una schiuma quantistica di spaziotempo possa rallentare il passaggio della luce, proprio come la luce viaggia alla massima velocità nel vuoto ma a velocità più basse attraverso l'aria o l'acqua.
La schiuma rallenterebbe le particelle elettromagnetiche di energia più elevata, o i fotoni - come i raggi X e i raggi gamma - più dei fotoni a energia inferiore di luce visibile o onde radio. Una tale variazione fondamentale della velocità della luce, diversa per i fotoni di diverse energie, violerebbe l'invarianza di Lorentz, il principio base della teoria della relatività speciale. Una tale violazione potrebbe essere un indizio che ci aiuterebbe a indicarci la strada verso le teorie dell'unificazione.
Gli scienziati hanno sperato di trovare tali violazioni dell'invarianza di Lorentz studiando i raggi gamma provenienti da molto al di fuori della Galassia. Uno scoppio di raggi gamma, ad esempio, è a una distanza così grande che le differenze nelle velocità dei fotoni nello scoppio, a seconda della loro energia, potrebbero essere misurabili - poiché la schiuma quantistica dello spazio può agire per rallentare la luce che è stata viaggiando da noi per miliardi di anni.
Stecker guardò molto più vicino a casa per scoprire che l'invarianza di Lorentz non veniva violata. Ha analizzato i raggi gamma da due galassie relativamente vicine a circa mezzo miliardo di anni luce di distanza con buchi neri supermassicci nei loro centri, chiamati Markarian (Mkn) 421 e Mkn 501. Questi buchi neri generano fasci intensi di fotoni a raggi gamma che sono diretti direttamente verso la terra. Tali galassie sono chiamate blazar. (Fare riferimento all'immagine 4 per un'immagine di MK 421. Le immagini 1 - 3 sono concetti dell'artista di buchi neri supermassicci che alimentano quasar che, quando puntati direttamente sulla Terra, sono chiamati blazar. L'immagine 5 è una foto del telescopio spaziale Hubble di un blazar.)
Alcuni dei raggi gamma di Mkn 421 e Mkn 501 si scontrano con i fotoni a infrarossi nell'Universo. Queste collisioni provocano la distruzione dei raggi gamma e dei fotoni infrarossi quando la loro energia viene convertita in massa sotto forma di elettroni e elettroni di antimateria caricati positivamente (chiamati positroni), secondo la famosa formula di Einstein E = mc ^ 2. Stecker e Glashow hanno sottolineato che l'evidenza dell'annichilimento dei raggi gamma della più alta energia di Mkn 421 e Mkn 501, ottenuti da osservazioni dirette di questi oggetti, dimostra chiaramente che l'invarianza di Lorentz è viva e vegeta e non violata. Se l'invarianza di Lorentz fosse stata violata, i raggi gamma sarebbero passati attraverso la nebbia infrarossa extragalattica senza essere annientati.
Questo perché l'annientamento richiede una certa quantità di energia per creare elettroni e positroni. Questo budget energetico è soddisfatto per i raggi gamma a più alta energia di MK 501 e MK 421 nell'interazione con i fotoni a infrarossi se entrambi si muovono alla ben nota velocità della luce secondo la teoria della relatività speciale. Tuttavia, se i raggi gamma in particolare si muovessero a una velocità più bassa a causa della violazione dell'invarianza di Lorentz, l'energia totale disponibile sarebbe inadeguata e la reazione di annientamento sarebbe un "non andare".
"Le implicazioni di questi risultati", ha affermato Stecker, "è che se l'invarianza di Lorentz viene violata, è a un livello così piccolo - meno di una parte su mille trilioni - che è oltre la capacità della nostra attuale tecnologia di trovare. Questi risultati potrebbero anche dirci che la forma corretta della teoria delle stringhe o della gravità quantistica deve obbedire al principio dell'invarianza di Lorentz. "
Per ulteriori informazioni, consultare "Vincoli su invarianza di Lorentz che violano la gravità quantistica e modelli di grandi dimensioni extra utilizzando osservazioni di raggi gamma ad alta energia" online all'indirizzo:
Fonte originale: Comunicato stampa della NASA
