Har Du Tre Små Foton Brutna Teoretisk Fysik?

{h1}

En trio av foton som släpptes för sju miljarder år sedan från en gammastrålningsbyte hotar att skrapa årtionden av forskning av teoretiska fysiker.

För sju miljarder år sedan satt tre kosmiska resenärer tillsammans på en episk resa till jorden. De har just anlänt, och de ger nyheter om det stora bortom. Deras överraskande historia kan krossa årtionden av teoretiska fysiker.

Men först en introduktion: Forskare har länge undrat sig om rymden och tiden. Albert Einstein föreställde de två koncepten som ett sammanvävt tyg som sträcker sig smidigt och kontinuerligt genom universum, vridning under vikten av den materia den innehåller. Smidigheten i detta stretchiga "rymdtid" -tyg betyder att oavsett hur nära man inspekterar det, uppstår ingen underliggande struktur. Tyget är helt rent även vid oändliga skalor.

Häftet i denna bild av ett rymdtidstygn är att det inte jive med kvantmekanik, den uppsättning lagar som beskriver det bisarra beteendet hos subatomära partiklar. För att förklara gravitationsinteraktioner mellan planeter och stjärnor fungerar Einsteins teori vackert; men försök att beskriva kvarkar eller elektroner som sipprar om på ett tyg utan grundstruktur, och ekvationerna vänder sig till nonsens.

Moderna "teorier om allt" försöker förena Einsteins stora bildvy av universum, byggt av rymdtid, med den småskaliga bilden av universum som beskrivs av kvantmekanik. De flesta av dessa teorier, kollektivt kallade "quantum gravity", säger att rymdtiden inte får vara smidig trots allt, men måste i stället bestå av diskreta, osynliga små byggstenar - typ av som 3D-pixlar, eller vilka forskare har dubblat en " skum."

Men verkliga eller inte såg ut som sådana tidstimuli för att vara permanent utom räckhåll. Av orsaker som har att göra med den osäkerhet som finns på partiklarnas platser, föreslår teorier att pixlarna ska mäta storleken på "Plancklängden" eller ungefär en miljonedel av en miljardedel av en elektrons diameter. Med de viktigaste bevisen för kvant gravitation begravd i en sådan otillgänglig skala, fanns fysiker med en förlust för hur man bekräftade eller motbevisa sina idéer.

Därefter föreslog ett papper publicerat för 15 år sedan i tidskriften Nature en genial metod för att upptäcka rymdtidspixlar. Giovanni Amelino-Camelia, en teoretisk fysiker vid Sapienza-universitetet i Rom och kollegor sa att byggnadsblocken i rymdtiden kunde upptäckas indirekt genom att observera hur ljus av olika färger sprids när det färdas genom pixlarna på sin resa över universum, precis som ljus sprider sig in i dess komponentvåglängder när det passerar genom den kristallina strukturen hos ett prisma. Så länge man är säker på att alla fotoner eller ljuspartiklar lämnade källan på exakt samma tid, mäta hur mycket fotoner med olika våglängder som spred sig under sin pendling till jorden skulle avslöja närvaron och storleken på pixlarna de gick igenom.

Sådana studier hade inte varit genomförbara, förrän nu.

"Mycket få av oss föreslog att rymdtidens struktur kunde upptäckas, och nu 15 år senare visar fakta oss rätt," berättade Amelino-Camelia Livets Lilla Mysterier. [Topp 10 störst saker i rymden]

Burst av ljus

För sju miljarder år sedan, 7 miljarder ljusår bort, skickade en gammastrålningsbrist en blitz av fotoner som slog in i rymden. Några av dem gick till jorden.

Gamma-ray bursts uppstår när en extremt massiv roterande stjärna kollapsar i sig själv, släppa på mindre än en minut så mycket energi som vår sol kommer att stråla ut under hela sin livslängd på 10 miljarder år. Dessa shockwaves av gammastrålar och andra energiska foton är de ljusaste händelserna i universum. När gamma ray bursts har inträffat i Vintergatan galaxen spekulerar forskarna att de kan ha förändrat jordens klimat och inducerade massutrotningar. Lyckligtvis är utbrott så sällsynta att de vanligtvis förekommer ett säkert avstånd borta - tillräckligt långt för att endast en ljus dimma fotoner når vår planet. NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope lanserades i en omlopp 2008 för att skanna skidorna för dessa tjuvar av shockwaves förbi.

Robert Nemiroff, en astrofysiker vid Michigan Technological University, och kollegor har nyligen tittat på data från en gammastrålningsbrist som upptäckts av Fermi-teleskopet i maj 2009.

"Ursprungligen letade vi efter något annat, men slogs när två av de högsta energimikronerna från den upptäckta gammastrålningsbursten uppträdde inom en enda millisekund, berättade Nemiroff Life's Little Mysteries. När fysikerna tittade mer på de uppgifterna hittade de en tredje gammastrålefoton inom en millisekund av de andra två.

Datormodeller visade att det var mycket osannolikt att fotonen skulle ha emitterats av olika gammastrålningsbrott eller samma utbrott vid olika tidpunkter. Följaktligen "verkade det mycket troligt för oss att dessa tre fotoner reste över mycket av universum tillsammans utan att sprida sig", sa Nemiroff. Trots att de har lite olika energier (och därmed olika våglängder), stannade de tre fotonen i extremt nära företag under hela maratonturen till jorden.

Många saker - t.ex. stjärnor, interstellärt damm - kunde ha spridit fotonen. "Men ingenting vi vet kan sprida gammastrålfoton," sa Nemiroff. "Så vi drar då slutsatsen att dessa fotoner inte var spridda. Så om de inte spred sig, lämnade universum dem ensamma.Så om universum var gjord av Planck-skala kvantskum, skulle det enligt vissa teorier inte ha lämnat dessa fotoner ensamma. Så existerar inte dessa typer av kvartsskum i Planck-skala. "

Med andra ord indikerar fotons nära samtidiga ankomst att rymdtid är jämn, som Einstein föreslog, snarare än pixilerade som moderna teorier kräver - åtminstone ner till något under plancklängden, en mindre skala än någonsin probed tidigare. Fyndet "kommer nära att bevisa [den tidsrymden är jämn] för ett antal parametrar," sa Nemiroff.

Fyndet, som publicerades i juni i tidskriften Physical Review Letters, hotar att sätta teoretiska fysiker tillbaka flera decennier genom att skrapa en hel klass av teorier som försöker förena Einsteins teori med kvantmekanik. Men inte alla är beredda att grova gravitationsgraden. [Top 3 Questions Människor frågar en astrofysiker (och svar)]

Andra effekter?

"Analysen Nemiroff et al. Rapporterar är mycket trevligt och en slående bekräftelse på att dessa studier av rymdtidens Planck-skala kan göras, som några av oss föreslog för länge sedan", säger Amelino-Camelia, som är upphovsman till tanken att gammastrålar kunde avslöja byggnadsblocken i rymdtid. "Men påståendet att deras analys visar att rymdtid är" jämn med Planck-skala noggrannhet "är ganska naiv."

För att bevisa att Planck-skala-pixlar inte existerar, skulle forskarna behöva utesluta möjligheten att pixlarna dispergerade fotonen på sätt som inte beror enkelt på fotons våglängder, sade han. Pixlarna kan exempelvis utöva mer subtila "kvadratiska" influenser, eller kan ha en effekt som kallas dubbelbrytning som beror på polariseringen av ljuspartiklarna. Nemiroff och hans kollegor skulle behöva utesluta dessa och andra möjligheter. För att bevisa att fotonitrio inte var en fluke, skulle resultaten då kräva oberoende bekräftelse; en andra uppsättning samtidiga gammastrålfotoner med egenskaper som liknar det första måste observeras.

Om allt detta uppnås, sade Amelino-Camelia, "åtminstone för vissa tillvägagångssätt till kvantum-gravitation problemet, det kommer verkligen att vara ett fall att gå tillbaka till ritbordet."

Följ Natalie Wolchover på Twitter @nattyover eller Life's Little Mysteries @ llmysteries. Vi är också på Facebook och Google+.


Video Tillägg: (Svenska / Swedish) THRIVE: What On Earth Will It Take?.




Forskning


Hela Ön Puerto Rico Förlorade Bara Kraft Igen - Här Är Varför
Hela Ön Puerto Rico Förlorade Bara Kraft Igen - Här Är Varför

Hur Lever Av Nätverket
Hur Lever Av Nätverket

Science News


Är Ismuren Från
Är Ismuren Från "Thrones Game" Fysiskt Möjligt?

10 Sätt Som Vi Använder Data För Att Bekämpa Sjukdomar
10 Sätt Som Vi Använder Data För Att Bekämpa Sjukdomar

Konstigt Tillstånd Orsakar
Konstigt Tillstånd Orsakar "Frostbite" Vid 50 Grader

Hawaiian Crabs Försvann När Människor Kom
Hawaiian Crabs Försvann När Människor Kom

Snabbaste Spinnande Man-Made Object Skapat
Snabbaste Spinnande Man-Made Object Skapat


SV.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Av Material Tillåts Bara Prostanovkoy Aktiv Länk Till Webbplatsen SV.WordsSideKick.com

© 2005–2019 SV.WordsSideKick.com