Crédito de imagen: NASA
La Teoría General de la Relatividad de Einstein recibió otra confirmación esta semana gracias a la investigación realizada por un astrónomo de la NASA. Los científicos midieron la energía total de los rayos gamma emitidos por un estallido de rayos gamma distantes y descubrieron que estaban interactuando con partículas en su camino a la Tierra de tal manera que coincidían con las predicciones de Einstein.
Los científicos dicen que el principio de Albert Einstein de la constancia de la velocidad de la luz se mantiene bajo un escrutinio extremadamente estricto, un hallazgo que descarta ciertas teorías que predicen dimensiones adicionales y un tejido "espumoso" del espacio.
El hallazgo también demuestra que las observaciones básicas basadas en tierra y espacio de los rayos gamma de mayor energía, una forma de energía electromagnética como la luz, pueden proporcionar información sobre la naturaleza misma del tiempo, la materia, la energía y el espacio a escalas muy por debajo el nivel subatómico, algo que pocos científicos creían posible.
El Dr. Floyd Stecker, del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, analiza las implicaciones de estos hallazgos en una edición reciente de Astroparticle Physics. Su trabajo se basa en parte en una colaboración anterior con el premio Nobel Sheldon Glashow de la Universidad de Boston.
"Lo que Einstein resolvió con lápiz y papel hace casi un siglo sigue siendo válido para el escrutinio científico", dijo Stecker. "Las observaciones de alta energía de los rayos gamma cósmicos no descartan la posibilidad de dimensiones adicionales y el concepto de gravedad cuántica, pero sí imponen algunas restricciones estrictas sobre cómo los científicos pueden encontrar tales fenómenos".
Einstein afirmó que el espacio y el tiempo eran en realidad dos aspectos de una sola entidad llamada espacio-tiempo, un concepto de cuatro dimensiones. Este es el fundamento de sus teorías de la relatividad especial y general. Por ejemplo, la relatividad general postula que la fuerza de la gravedad es el resultado de la distorsión del espacio-tiempo en masa, como una bola de boliche sobre un colchón.
La relatividad general es la teoría de la gravedad a gran escala, mientras que la mecánica cuántica, desarrollada independientemente a principios del siglo XX, es la teoría del átomo y las partículas subatómicas en una escala muy pequeña. Las teorías basadas en la mecánica cuántica no describen la gravedad, sino más bien las otras tres fuerzas fundamentales: electromagnetismo (luz), fuerzas fuertes (núcleos atómicos de unión) y fuerzas débiles (vistas en radiactividad).
Los científicos siempre han esperado fusionar estas teorías en una "teoría de todo" para describir todos los aspectos de la naturaleza. Estas teorías unificadoras, como la gravedad cuántica o la teoría de cuerdas, pueden implicar la invocación de dimensiones adicionales del espacio y también violaciones de la teoría especial de la relatividad de Einstein, como que la velocidad de la luz es la velocidad máxima alcanzable para todos los objetos.
El trabajo de Stecker involucra conceptos llamados principio de incertidumbre e invariancia de Lorentz. El principio de incertidumbre, derivado de la mecánica cuántica, implica que a nivel subatómico, las partículas virtuales, también llamadas fluctuaciones cuánticas, aparecen y desaparecen. Muchos científicos dicen que el espacio-tiempo mismo está formado por fluctuaciones cuánticas que, cuando se ven de cerca, se asemejan a una espuma o "espuma cuántica". Algunos científicos piensan que una espuma cuántica del espacio-tiempo puede ralentizar el paso de la luz, tanto como la luz viaja a una velocidad máxima en el vacío pero a velocidades más lentas a través del aire o el agua.
La espuma ralentizaría las partículas electromagnéticas de mayor energía, o fotones, como los rayos X y los rayos gamma, más que los fotones de menor energía de luz visible u ondas de radio. Una variación tan fundamental en la velocidad de la luz, diferente para fotones de diferentes energías, violaría la invariancia de Lorentz, el principio básico de la teoría especial de la relatividad. Tal violación podría ser una pista que nos ayudaría a orientarnos hacia las teorías de unificación.
Los científicos han esperado encontrar tales violaciones de la invariancia de Lorentz estudiando los rayos gamma que provienen de muy lejos de la galaxia. Una explosión de rayos gamma, por ejemplo, está a una distancia tan grande que las diferencias en las velocidades de los fotones en la explosión, dependiendo de su energía, podrían ser medibles, ya que la espuma cuántica del espacio puede actuar para disminuir la luz que ha sido viajando a nosotros por miles de millones de años.
Stecker miró mucho más cerca de casa para descubrir que la invariancia de Lorentz no está siendo violada. Analizó los rayos gamma de dos galaxias relativamente cercanas a unos 500 millones de años luz de distancia con agujeros negros supermasivos en sus centros, llamados Markarian (Mkn) 421 y Mkn 501. Estos agujeros negros generan haces intensos de fotones de rayos gamma que apuntan directamente a la tierra. Tales galaxias se llaman blazars. (Consulte la Imagen 4 para ver una imagen de Mkn 421. Las imágenes 1 - 3 son conceptos artísticos de agujeros negros supermasivos que alimentan los cuásares que, cuando se apuntan directamente a la Tierra, se llaman blazars. La imagen 5 es una foto del telescopio espacial Hubble de un blazar).
Algunos de los rayos gamma de Mkn 421 y Mkn 501 chocan con fotones infrarrojos en el Universo. Estas colisiones provocan la destrucción de los rayos gamma y los fotones infrarrojos, ya que su energía se convierte en masa en forma de electrones y electrones antimateria con carga positiva (llamados positrones), según la famosa fórmula E = mc ^ 2 de Einstein. Stecker y Glashow han señalado que la evidencia de la aniquilación de los rayos gamma de mayor energía de Mkn 421 y Mkn 501, obtenidos de observaciones directas de estos objetos, demuestra claramente que la invariancia de Lorentz está viva y bien y no está siendo violada. Si se viola la invariancia de Lorentz, los rayos gamma pasarían a través de la niebla infrarroja extragaláctica sin ser aniquilados.
Esto se debe a que la aniquilación requiere una cierta cantidad de energía para crear los electrones y los positrones. Este presupuesto de energía se satisface para los rayos gamma de mayor energía de Mkn 501 y Mkn 421 al interactuar con los fotones infrarrojos si ambos se mueven a la velocidad conocida de la luz de acuerdo con la teoría especial de la relatividad. Sin embargo, si los rayos gamma en particular se movieran a una velocidad más lenta debido a la violación de la invariancia de Lorentz, la energía total disponible sería inadecuada y la reacción de aniquilación sería un "no ir".
“Las implicaciones de estos resultados”, dijo Stecker, “es que si se viola la invariancia de Lorentz, es a un nivel tan pequeño, menos de una parte en mil billones, que está más allá de la capacidad de nuestra tecnología actual para encontrarlo. Estos resultados también pueden indicarnos que la forma correcta de la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica debe obedecer el principio de la invariancia de Lorentz ".
Para obtener más información, consulte "Restricciones sobre la invariancia de Lorentz que viola la gravedad cuántica y los modelos de grandes dimensiones adicionales utilizando observaciones de rayos gamma de alta energía" en línea en:
Fuente original: Comunicado de prensa de la NASA
