Haben Drei Kleine Photonen Die Theoretische Physik Gebrochen?

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Ein trio von photonen, die vor sieben milliarden jahren aus einem gammastrahlenausstoß emittiert wurden, droht jahrzehntelangen forschungen durch theoretische physiker.

Vor sieben Milliarden Jahren begaben sich drei kosmische Reisende gemeinsam auf eine epische Reise zur Erde. Sie sind gerade angekommen und bringen Nachrichten über das große Jenseits. Ihre überraschende Geschichte könnte die jahrzehntelange Arbeit theoretischer Physiker aufheben.

Aber zunächst eine Einführung: Wissenschaftler haben sich lange über die Natur von Raum und Zeit gewundert. Albert Einstein stellte sich die beiden Konzepte als ein verwobenes Gewebe vor, das sich sanft und kontinuierlich im gesamten Universum erstreckt und sich unter dem Gewicht der darin enthaltenen Materie verzieht. Die Geschmeidigkeit dieses dehnbaren "Raum-Zeit" -Gewebes bedeutet, dass unabhängig davon, wie genau man es inspiziert, keine darunter liegende Struktur entsteht. Der Stoff ist selbst bei unendlich kleinen Maßstäben vollkommen rein.

Der Haken an diesem Bild eines Raum-Zeit-Gewebes liegt darin, dass es nicht mit der Quantenmechanik mitschwingt, einer Reihe von Gesetzen, die das bizarre Verhalten subatomarer Teilchen beschreiben. Um die Wechselwirkungen zwischen Planeten und Sternen zu erklären, funktioniert Einsteins Theorie wunderbar. Versuchen Sie jedoch, Quarks oder Elektronen zu beschreiben, die sich auf einem Stoff ohne Elementstruktur bewegen, und die Gleichungen werden zu Unsinn.

Moderne "Theorien von Allem" versuchen Einsteins Gesamtbild des aus der Raumzeit gebildeten Universums mit dem von der Quantenmechanik beschriebenen kleinräumigen Bild des Universums in Einklang zu bringen. Die meisten dieser Theorien, zusammenfassend als "Quantengravitation" bezeichnet, behaupten, dass die Raum-Zeit doch nicht glatt sein muss, sondern aus diskreten, unsichtbar kleinen Bausteinen bestehen muss - etwa wie 3D-Pixel oder was Wissenschaftler als "" bezeichnet haben. Schaum."

Aber real oder nicht, solche Raum-Zeit-Pixel schienen für immer außer Reichweite des Menschen zu sein. Aus Gründen, die mit der Unsicherheit zusammenhängen, die an den Orten von Teilchen besteht, legen Theorien nahe, dass die Pixel die Größe der "Planck-Länge" oder etwa ein Milliardstel eines Milliardstel des Durchmessers eines Elektrons messen sollten. Da die wichtigsten Beweise für die Quantengravitation in einem derart unerreichbaren Ausmaß vergraben waren, konnten die Physiker ihre Ideen nicht bestätigen oder widerlegen.

In einem vor 15 Jahren in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikel wurde eine geniale Methode zur Erkennung von Raum-Zeit-Pixeln vorgeschlagen. Giovanni Amelino-Camelia, theoretischer Physiker an der Sapienza-Universität in Rom, und seine Kollegen sagten, die Bausteine ​​der Raumzeit könnten indirekt entdeckt werden, wenn man beobachtet, wie sich das Licht verschiedener Farben auf seinem Weg durch das Universum durch die Pixel streut. So wie sich Licht in seine Komponentenwellenlängen ausbreitet, wenn es die kristalline Struktur eines Prismas durchläuft. Solange man sich sicher ist, verließen alle Photonen oder Lichtpartikel genau zur gleichen Zeit ihre Quelle. Dabei wurde gemessen, wie viele Photonen unterschiedlicher Wellenlänge sich auf ihrem Weg zur Erde ausbreiten, um die Anwesenheit und Größe der Pixel aufzudecken durchgekommen.

Bislang waren solche Studien nicht durchführbar.

"Sehr wenige von uns meinten, dass die Struktur der Raumzeit entdeckt werden könnte, und nun bestätigen uns die Fakten 15 Jahre später", sagte Amelino-Camelia zu Little Mysteries von Life. [Top 10 seltsamsten Dinge im Weltraum]

Lichtstoß

Vor sieben Milliarden Jahren, sieben Milliarden Lichtjahren entfernt, schickte ein Gammastrahlenstoß einen Blitz aus Photonen, die in den Weltraum zerrissen wurden. Einige von ihnen gingen zur Erde.

Gammastrahlenausbrüche treten auf, wenn ein extrem massiver, rotierender Stern in sich zusammenbricht und in weniger als einer Minute so viel Energie freigesetzt wird, wie unsere Sonne während ihrer gesamten Lebensdauer von 10 Milliarden Jahren ausstrahlt. Diese Schockwellen von Gammastrahlen und anderen energetischen Photonen sind die hellsten Ereignisse im Universum. Wenn Gammastrahlenausbrüche in der Milchstraße stattgefunden haben, spekulieren Wissenschaftler, dass sie das Klima der Erde verändert und Massensterben ausgelöst haben könnten. Zum Glück sind die Stöße so selten, dass sie normalerweise in sicherer Entfernung auftreten - weit genug, dass nur ein leichter Photonennebel unseren Planeten erreicht. Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA wurde 2008 in den Orbit gebracht, um den Himmel nach diesen Nebelwellen von Schockwellen zu durchsuchen.

Robert Nemiroff, Astrophysiker an der Michigan Technological University, und seine Kollegen haben sich kürzlich die Daten eines Gammastrahlenausbruchs angesehen, der im Mai 2009 vom Fermi-Teleskop entdeckt wurde.

"Ursprünglich waren wir auf der Suche nach etwas anderem, wurden jedoch getroffen, als zwei der energiereichsten Photonen dieses detektierten Gammastrahlenausbruchs innerhalb einer Millisekunde auftauchten", sagte Nemiroff zu Little Mysteries von Life. Als die Physiker die Daten genauer untersuchten, fanden sie innerhalb einer Millisekunde von den beiden anderen ein drittes Gammastrahlenphoton.

Computermodelle haben gezeigt, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass die Photonen durch verschiedene Gammastrahlenausbrüche oder denselben Ausstoß zu unterschiedlichen Zeiten emittiert worden wären. Infolgedessen "schien es uns sehr wahrscheinlich, dass diese drei Photonen einen Großteil des Universums gemeinsam durchquerten, ohne sich zu zerstreuen", sagte Nemiroff. Trotz geringfügig unterschiedlicher Energien (und damit unterschiedlicher Wellenlängen) blieben die drei Photonen während ihrer Marathonwanderung zur Erde in extrem enger Gesellschaft.

Viele Dinge - z. Sterne, interstellarer Staub - hätte die Photonen zerstreuen können. "Aber nichts, was wir wissen, kann Gammastrahlenphotonen zerstreuen", sagte Nemiroff. "Daraus schließen wir, dass diese Photonen nicht zerstreut wurden. Wenn sie also nicht zerstreut wurden, ließ das Universum sie in Ruhe.Wenn also das Universum aus Quantenschaum im Planck-Maßstab besteht, hätte es nach einigen Theorien diese Photonen nicht allein gelassen. Daher gibt es solche Quantenschäume im Planck-Maßstab nicht. "

Mit anderen Worten, die nahezu gleichzeitige Ankunft der Photonen zeigt an, dass die Raumzeit glatt ist, wie Einstein es vorschlägt, und nicht so, wie es moderne Theorien erfordern - zumindest bis etwas unterhalb der Skala der Planck-Länge, eine kleinere Skala als jemals zuvor zuvor geprüft. Die Feststellung "kommt nahe, zu beweisen, dass die Raumzeit für einige Parameterbereiche glatt ist", sagte Nemiroff.

Die im Juni in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Feststellung droht, theoretische Physiker mehrere Jahrzehnte zurückzustellen, indem sie eine ganze Klasse von Theorien verwarf, die versuchen, Einsteins Theorie mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen. Aber nicht jeder ist bereit, die Quantengravitation abzuwerfen. [Top 3 Fragen, die Leute einem Astrophysiker stellen (und Antworten)]

Andere Effekte

"Die Analyse, über die Nemiroff et al. Berichten, ist sehr nett und eine auffallende Bestätigung, dass diese Untersuchungen der Planck-Struktur der Raum-Zeit durchgeführt werden können, wie einige von uns schon vor langer Zeit vorgeschlagen hatten", sagte Amelino-Camelia, Gründer der Idee, dass Gammastrahlen die Bausteine ​​der Raumzeit enthüllen könnten. "Aber die Behauptung, dass ihre Analyse beweist, dass die Raumzeit mit der Genauigkeit der Planck-Skala glatt ist, ist ziemlich naiv."

Um zu beweisen, dass Pixel im Planck-Maßstab nicht existieren, müssten die Forscher die Möglichkeit ausschließen, dass die Pixel die Photonen in einer Weise zerstreuen, die nicht direkt von den Wellenlängen der Photonen abhängt, sagte er. Die Pixel könnten beispielsweise subtilere "quadratische" Einflüsse ausüben oder eine als Doppelbrechung bezeichnete Wirkung haben, die von der Polarisation der Lichtteilchen abhängt. Nemiroff und seine Kollegen müssten diese und andere Möglichkeiten ausschließen. Um zu beweisen, dass das Photonentrio kein Zufall war, bedürfen die Ergebnisse einer unabhängigen Bestätigung. Ein zweiter Satz simultaner Gammastrahlenphotonen mit ähnlichen Eigenschaften muss beobachtet werden.

Wenn all dies erreicht ist, sagte Amelino-Camelia, "zumindest für einige Ansätze für das Problem der Quantengravitation wird es tatsächlich der Fall sein, zum Zeichenbrett zurückzukehren."

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Videoergänzungsan: Die Urwort Theorie - Dr. Michael König.




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