Har Tre Små Fotoner Brudt Teoretisk Fysik?

{h1}

En trio fotoner udgivet for syv milliarder år siden fra en gammastråle burst truer med at ødelægge årtiers forskning af teoretiske fysikere.

For syv milliarder år siden satte tre kosmiske rejsende sammen en episk rejse til Jorden. De er netop ankommet, og de bringer nyheder om det store ud over. Deres overraskende historie kunne vende decennier af arbejde af teoretiske fysikere.

Men først en introduktion: Forskere har længe spekuleret på rummet og tidens karakter. Albert Einstein forestillede sig de to begreber som et sammenvævet stof, der strækker sig jævnt og kontinuerligt i hele universet og krummer under vægten af ​​den sag, den indeholder. Glatheden af ​​dette elastiske "space-time" stof betyder, at uanset hvor tæt man inspicerer det, opstår der ingen underliggende struktur. Stoffet er helt rent selv ved uendelige skalaer.

Snag i dette billede af et rumtids stof er, at det ikke jive med kvantemekanik, sæt af love, der beskriver de subatomære partiers bizarre opførsel. For at forklare gravitationsinteraktioner mellem planeter og stjerner virker Einsteins teori smukt; men prøv at beskrive kvarker eller elektroner, der glider om på et stof uden elementær struktur, og ligningerne bliver til tåb.

Moderne "teorier om alt" forsøger at forene Einsteins store billede af universet, bygget af rumtiden, med det lille billede af universet, der er beskrevet af kvantemekanik. De fleste af disse teorier, kollektivt kaldet "kvante tyngdekraften", betyder, at rumtiden ikke skal være glat, men skal i stedet bestå af diskrete, usynlige små byggesten - slags som 3D-pixel, eller hvad forskere har kaldt en " skum."

Men rigtig eller ej syntes sådanne rumtimepixler at være permanent uden for menneskets rækkevidde. Af grunde, der har at gøre med den usikkerhed, der eksisterer i partiklernes placeringer, tyder teorier på, at pixels skal måle størrelsen af ​​"Planck-længden" eller omkring en milliardedel af en milliardedel af diameteren af ​​en elektron. Med de vigtigste beviser for kvante gravitation begravet i en sådan utilgængelig skala, fysikere var tabt for at bekræfte eller afvise deres ideer.

Derefter foreslog et papir, der blev offentliggjort for 15 år siden i tidsskriftet Nature, en genial metode til opsporing af rumtidspixel. Giovanni Amelino-Camelia, en teoretisk fysiker ved Sapienza Universitet i Rom og kolleger, sagde at bygningstiderne af rumtiden kunne opdages indirekte ved at observere den måde, som lyset af forskellige farver spredes, da det rejser gennem pixelerne på sin rejse over universet, ligesom lyset spredes ind i dets komponentbølgelængder, når det passerer gennem den krystallinske struktur af et prisme. Så længe man er sikker på, at alle fotoner eller lyspartikler forlod deres kilde på nøjagtig samme tid og måler hvor meget fotoner af forskellige bølgelængder spredte ud under deres pendler til Jorden ville afsløre tilstedeværelsen og størrelsen af ​​de pixels, de havde gik igennem.

Sådanne undersøgelser havde ikke været mulige, indtil nu.

"Meget få af os foreslog, at rumtidsstrukturen kunne opdages, og nu 15 år senere viser fakta os rigtigt," fortalte Amelino-Camelia Life's Little Mysteries. [Top 10 Strangest Things In Space]

Burst of light

For 7 milliarder år siden, 7 milliarder lette år væk, sendte en gamma-ray burst et blitz af fotoner, der river ud i rummet. Nogle af dem ledte til jorden.

Gamma-ray bursts opstår, når en ekstremt massiv roterende stjerne kollapser ind i sig selv, frigør på mindre end et minut så meget energi som vores sol vil udstråle i hele sin 10-milliard årlige levetid. Disse shockwaves af gammastråler og andre energiske fotoner er de lyseste begivenheder i universet. Når gamma ray bursts har fundet sted i Melkevejs galaksen, spekulerer forskerne, at de måske har ændret Jordens klima og inducerede masseudslettelser. Heldigvis er udbrudene så sjældne, at de typisk opstår en sikker afstand væk - langt nok, at kun en lysdemot fotoner når vores planet. NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope blev lanceret i kredsløb i 2008 for at scanne skyerne for disse tåger af shockwaves forbi.

Robert Nemiroff, en astrofysiker ved Michigan Technological University, og kolleger tog for nylig et kig på data fra en gamma-ray burst påvist af Fermi teleskopet i maj 2009.

"Vi var oprindeligt på udkig efter noget andet, men blev ramt, da to af de højeste energimikroner fra denne påvist gamma-ray burst optrådte inden for en enkelt millisekund," fortalte Nemiroff Life's Little Mysteries. Når fysikerne kiggede nærmere på dataene, fandt de en tredje gammastrålefoton inden for en millisekund af de to andre.

Computer modeller viste, at det var meget usandsynligt, at fotonen ville have været udsendt af forskellige gamma ray bursts eller den samme udbrud på forskellige tidspunkter. Følgelig "syntes det meget sandsynligt for os, at disse tre fotoner rejste over meget af universet sammen uden at sprede sig," sagde Nemiroff. På trods af at de har lidt forskellige energier (og dermed forskellige bølgelængder), forblev de tre fotoner i ekstremt nært firma i løbet af deres maratontræ til Jorden.

Mange ting - f.eks. stjerner, interstellært støv - kunne have spredt fotonen. "Men intet, som vi ved, kan dispergere gamma-ray fotoner," sagde Nemiroff. "Så vi konkluderer så, at disse fotoner ikke blev spredt. Så hvis de ikke blev spredt, så forlod universet dem alene.Så hvis universet var lavet af Planck-skala quantum skum, ville det ifølge nogle teorier ikke have forladt disse fotoner alene. Så disse typer af Planck-skala kvanteskum eksisterer ikke. "

Med andre ord indikerer fotonernes næsten samtidige ankomst, at rumtiden er glat, som Einstein foreslog, snarere end pixileret som moderne teorier kræver - i hvert fald ned til lidt under skalaen af ​​Planck-længden, en mindre skala end nogensinde været probed tidligere. Resultatet "kommer tæt på at bevise [at rumtid er glat] for nogle parametre," sagde Nemiroff.

Resultatet, der blev offentliggjort i juni i tidsskriftet Physical Review Letters, truer med at sætte teoretiske fysikere tilbage ad flere årtier ved at skrabe en hel klasse teorier, der forsøger at forene Einsteins teori med kvantemekanik. Men ikke alle er klar til at begrænse kvante tyngdekraften. [Top 3 spørgsmål Folk spørger en astrofysiker (og svar)]

Andre effekter?

"Analysen Nemiroff et al. Rapportering er meget flot og en slående bekræftelse på, at disse undersøgelser af rumtidsstrukturens planktilstand kan gøres, som nogle af os foreslog for længe siden," sagde Amelino-Camelia, der er originator for idé om, at gammastråler kunne afsløre bygningsblokke i rumtiden. "Men påstanden om, at deres analyse viser, at rumtiden er" glat med Planck-skalaens nøjagtighed ", er temmelig naiv."

For at bevise, at Planck-skala-pixel ikke eksisterer, ville forskerne skulle udelukke muligheden for, at pixlerne dispergerede fotoner på måder, der ikke afhænger på en retfærdig måde på fotons bølgelængder, sagde han. Pixlerne kan for eksempel udøve mere subtile "kvadratiske" påvirkninger eller kunne have en effekt, der hedder dobbeltbrydning, der afhænger af polariseringen af ​​lyspartiklerne. Nemiroff og hans kolleger skulle udelukke disse og andre muligheder. For at bevise, at fotonetrioen ikke var en fluke, ville resultaterne så kræve uafhængig bekræftelse; et andet sæt samtidige gammastrålefotoner med egenskaber svarende til de første skal observeres.

Hvis alt dette er opnået, sagde Amelino-Camelia, "i hvert fald for nogle tilgange til kvantumgravitetsproblemet, vil det virkelig være tilfældet at gå tilbage til tegnebrættet."

Følg Natalie Wolchover på Twitter @nattyover eller Life's Little Mysteries @ llmysteries. Vi er også på Facebook og Google+.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com