Bildnachweis: NASA
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie wurde diese Woche dank der Forschung eines Astronomen der NASA erneut bestätigt. Wissenschaftler haben die Gesamtenergie von Gammastrahlen gemessen, die von entfernten Gammastrahlen ausgestrahlt werden, und festgestellt, dass sie auf ihrem Weg zur Erde mit Partikeln auf eine Weise interagieren, die genau den Vorhersagen von Einstein entspricht.
Wissenschaftler sagen, dass Albert Einsteins Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit einer äußerst genauen Prüfung unterzogen wird. Diese Erkenntnis schließt bestimmte Theorien aus, die zusätzliche Dimensionen und ein „schaumiges“ Raumgefüge vorhersagen.
Das Ergebnis zeigt auch, dass grundlegende boden- und weltraumgestützte Beobachtungen der Gammastrahlen mit der höchsten Energie, einer Form elektromagnetischer Energie wie Licht, Einblicke in die Natur von Zeit, Materie, Energie und Raum in extrem weit entfernten Maßstäben geben können die subatomare Ebene - etwas, das nur wenige Wissenschaftler für möglich hielten.
Dr. Floyd Stecker vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Md., Erläutert die Auswirkungen dieser Ergebnisse in einer kürzlich erschienenen Ausgabe der Astropartikelphysik. Seine Arbeit basiert teilweise auf einer früheren Zusammenarbeit mit dem Nobelpreisträger Sheldon Glashow von der Boston University.
"Was Einstein vor fast einem Jahrhundert mit Bleistift und Papier ausgearbeitet hat, hält der wissenschaftlichen Prüfung weiterhin stand", sagte Stecker. "Hochenergetische Beobachtungen kosmischer Gammastrahlen schließen die Möglichkeit zusätzlicher Dimensionen und das Konzept der Quantengravitation nicht aus, beschränken jedoch die Art und Weise, wie Wissenschaftler solche Phänomene finden können, streng."
Einstein stellte fest, dass Raum und Zeit tatsächlich zwei Aspekte einer einzigen Einheit sind, die Raumzeit genannt wird, ein vierdimensionales Konzept. Dies ist die Grundlage für seine Theorien der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie. Die allgemeine Relativitätstheorie geht beispielsweise davon aus, dass die Schwerkraft das Ergebnis einer massenverzerrenden Raumzeit ist, wie eine Bowlingkugel auf einer Matratze.
Die allgemeine Relativitätstheorie ist die Gravitationstheorie im großen Maßstab, während die Quantenmechanik, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts unabhängig entwickelt wurde, die Theorie des Atoms und der subatomaren Teilchen im sehr kleinen Maßstab ist. Auf der Quantenmechanik basierende Theorien beschreiben nicht die Schwerkraft, sondern die anderen drei Grundkräfte: Elektromagnetismus (Licht), starke Kräfte (bindende Atomkerne) und schwache Kräfte (gesehen in der Radioaktivität).
Wissenschaftler haben lange gehofft, diese Theorien zu einer „Theorie von allem“ zu verschmelzen, um alle Aspekte der Natur zu beschreiben. Diese vereinheitlichenden Theorien - wie die Quantengravitation oder die Stringtheorie - können die Anrufung zusätzlicher Raumdimensionen und auch Verstöße gegen Einsteins spezielle Relativitätstheorie beinhalten, beispielsweise, dass die Lichtgeschwindigkeit die maximal erreichbare Geschwindigkeit für alle Objekte ist.
Steckers Arbeit beinhaltet Konzepte, die als Unsicherheitsprinzip und Lorentz-Invarianz bezeichnet werden. Das aus der Quantenmechanik abgeleitete Unsicherheitsprinzip impliziert, dass auf subatomarer Ebene virtuelle Teilchen, auch Quantenfluktuationen genannt, ein- und ausgehen. Viele Wissenschaftler sagen, dass die Raumzeit selbst aus Quantenfluktuationen besteht, die aus der Nähe einem Schaum oder „Quantenschaum“ ähneln. Einige Wissenschaftler glauben, dass ein Quantenschaum der Raumzeit den Lichtdurchgang verlangsamen kann - so wie sich Licht im Vakuum mit maximaler Geschwindigkeit, aber langsamer durch Luft oder Wasser bewegt.
Der Schaum würde elektromagnetische Teilchen mit höherer Energie oder Photonen - wie Röntgen- und Gammastrahlen - mehr verlangsamen als Photonen mit niedrigerer Energie von sichtbarem Licht oder Radiowellen. Eine solche grundlegende Variation der Lichtgeschwindigkeit, die für Photonen unterschiedlicher Energien unterschiedlich ist, würde die Lorentz-Invarianz, das Grundprinzip der speziellen Relativitätstheorie, verletzen. Ein solcher Verstoß könnte ein Hinweis sein, der uns auf dem Weg zu Vereinigungstheorien helfen würde.
Wissenschaftler haben gehofft, solche Verstöße gegen die Lorentz-Invarianz durch Untersuchung von Gammastrahlen von weit außerhalb der Galaxie zu finden. Ein Gammastrahlen-Burst befindet sich beispielsweise in einer so großen Entfernung, dass die Unterschiede in der Geschwindigkeit der Photonen im Burst in Abhängigkeit von ihrer Energie messbar sein können - da der Quantenschaum des Weltraums das bisherige Licht verlangsamen kann Milliarden von Jahren zu uns reisen.
Stecker sah viel näher zu Hause aus und stellte fest, dass die Lorentz-Invarianz nicht verletzt wird. Er analysierte Gammastrahlen von zwei relativ nahe gelegenen Galaxien, etwa eine halbe Milliarde Lichtjahre entfernt, mit supermassiven Schwarzen Löchern in ihren Zentren, Markarian (Mkn) 421 und Mkn 501. Diese Schwarzen Löcher erzeugen intensive Strahlen von Gammastrahlenphotonen, auf die direkt gerichtet ist die Erde. Solche Galaxien nennt man Blazare. (Siehe Bild 4 für ein Bild von Mkn 421. Die Bilder 1 - 3 sind Künstlerkonzepte von supermassiven Schwarzen Löchern, die Quasare antreiben, die, wenn sie direkt auf die Erde gerichtet sind, als Blazare bezeichnet werden. Bild 5 ist ein Hubble-Weltraumteleskopfoto eines Blazars.)
Einige der Gammastrahlen von Mkn 421 und Mkn 501 kollidieren mit Infrarotphotonen im Universum. Diese Kollisionen führen zur Zerstörung der Gammastrahlen und Infrarotphotonen, da ihre Energie gemäß Einsteins berühmter Formel E = mc ^ 2 in Form von Elektronen und positiv geladenen Antimaterie-Elektronen (Positronen genannt) in Masse umgewandelt wird. Stecker und Glashow haben darauf hingewiesen, dass Beweise für die Vernichtung der Gammastrahlen mit der höchsten Energie von Mkn 421 und Mkn 501, die durch direkte Beobachtung dieser Objekte erhalten wurden, deutlich zeigen, dass die Lorentz-Invarianz lebendig und gut ist und nicht verletzt wird. Wenn die Lorentz-Invarianz verletzt würde, würden die Gammastrahlen direkt durch den extragalaktischen Infrarotnebel gehen, ohne vernichtet zu werden.
Dies liegt daran, dass die Vernichtung eine bestimmte Energiemenge erfordert, um die Elektronen und Positronen zu erzeugen. Dieses Energiebudget ist für die Gammastrahlen mit der höchsten Energie von Mkn 501 und Mkn 421 bei der Wechselwirkung mit Infrarotphotonen erfüllt, wenn sich beide gemäß der speziellen Relativitätstheorie mit der bekannten Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wenn sich jedoch insbesondere die Gammastrahlen aufgrund einer Verletzung der Lorentz-Invarianz langsamer bewegen würden, wäre die insgesamt verfügbare Energie unzureichend und die Vernichtungsreaktion wäre ein "no go".
"Die Implikationen dieser Ergebnisse", sagte Stecker, "sind, dass wenn die Lorentz-Invarianz verletzt wird, sie auf einem so geringen Niveau liegt - weniger als ein Teil von tausend Billionen -, dass es jenseits der Fähigkeit unserer gegenwärtigen Technologie liegt, sie zu finden." Diese Ergebnisse könnten uns auch sagen, dass die korrekte Form der Stringtheorie oder der Quantengravitation dem Prinzip der Lorentz-Invarianz entsprechen muss. “
Weitere Informationen finden Sie unter „Einschränkungen der Lorentz-Invarianz, die die Quantengravitation und große Modelle mit zusätzlichen Dimensionen unter Verwendung von Gammastrahlenbeobachtungen mit hoher Energie verletzen“ online unter:
Ursprüngliche Quelle: NASA-Pressemitteilung
