Gebrochen drei kleine Photonen theoretische Physik haben?


7 Milliarden Jahren festgelegten drei kosmischen Reisende zusammen auf eine epische Reise zur Erde. Sie sind gerade angekommen, und bringen sie Nachrichten über das Jenseits. Ihre überraschende Geschichte könnte jahrzehntelange Arbeit von theoretischen Physikern stürzen.

Aber zuerst, eine Einführung: Wissenschaftler haben lange über die Natur von Raum und Zeit gefragt. Albert Einstein vorgestellt die beiden Konzepte wie eine verwobene Stoff, der problemlos erweitert und kontinuierlich im gesamten Universum, unter dem Gewicht der Materie darin enthaltenen verziehen. Die Glätte der Stoff dehnbar "Raumzeit" bedeutet, dass egal wie dicht man es kontrolliert, keine zugrunde liegende Struktur entsteht. Der Stoff ist vollkommen rein gar unendlich kleinen Skalen.

Der Haken in diesem Bild von einem Raum-Zeit-Stoff ist, dass es mit der Quantenmechanik, die Reihe von Gesetzen, die das bizarre Verhalten der subatomaren Teilchen beschreiben jive. Um gravitative Wechselwirkungen zwischen Planeten und Sternen zu erklären, funktioniert wunderbar Einsteins Theorie; aber versuchen, Quarks oder Elektronen schwirren über auf einen Stoff ohne elementare Struktur zu beschreiben, bzw. die Gleichungen nach Unsinn.

Moderne "Theorie von allem" versuchen, Einsteins große Bildansicht des Universums, gebaut von Raum und Zeit, mit dem kleinen Bild des Universums durch die Quantenmechanik beschrieben in Einklang zu bringen. Die meisten dieser Theorien, die zusammenfassend als "Quantengravitation" postulieren, dass die Raumzeit muss schließlich nicht glatt sein, sondern muss stattdessen aus unsichtbar kleinen, diskreten Bausteinen bestehen – ähnlich wie 3D Pixel oder was Wissenschaftler genannt "Schaum".

Aber real ist oder nicht, schien diese Raum-Zeit-Pixel dauerhaft Menschen unerreichbar. Aus Gründen, die mit der Unsicherheit zu tun, die an den Standorten von Partikeln besteht, empfehlen Theorien die Pixel der Größe des "Planck-Länge" oder etwa ein Milliardstel einer Milliardstel der Durchmesser eines Elektrons messen sollte. Mit der wichtige Beweismittel für Quantengravitation begraben in einem unzugänglichen Maßstab waren Physiker ratlos wie zu bestätigen oder zu widerlegen ihre Ideen.

Dann ein Papier veröffentlicht in der Zeitschrift Nature vorgeschlagen eine geniale Methode zum Nachweis von Raum-Zeit-Pixel vor 15 Jahren. Giovanni Amelino-Camelia, sagte ein theoretischer Physiker an der Universität Sapienza in Rom und Kollegen, die Bausteine der Raumzeit indirekt entdeckt werden könnte, indem man beobachtet, die Art und Weise Licht in verschiedenen Farben verteilt, wie es durch die Pixel auf seiner Reise durch das Universum Reisen ebenso wie Licht in seine Wellenlängen Komponente verteilt, wenn es durch die kristalline Struktur eines Prismas verläuft. Solange man sicher alle Photonen oder Partikel des Lichts, ihre Quelle zur genau gleichen Zeit gelassen, würde zeigen messen, wieviel Photonen verschiedener Wellenlängen während ihrer Fahrt zur Erde ausgebreitet, die Präsenz und die Größe der Pixel, die, denen Sie durchlaufen.

Solche Studien nicht möglich ist, bis jetzt gewesen.

"Sehr wenige von uns waren darauf hindeutet, dass die Struktur der Raumzeit nachgewiesen werden konnte, und jetzt 15 Jahre später Tatsachen uns Recht beweisen," sagte Amelino-Camelia die Geheimnisse des Lebens wenig. [Top 10 seltsamsten Dinge im Raum]

Explosion des Lichts

7 Milliarden Jahren schickte 7 Milliarden Lichtjahre entfernt, eine Gamma-Ray Burst eine Blitz von Photonen, die reißen in den Weltraum. Einige von ihnen für die Erde geleitet.

Gammastrahlen-Ausbrüche auftreten, wenn ein sehr massiver, rotierenden Stern kollabiert auf sich selbst, in Entfesselung in weniger als einer Minute so viel Energie wie unsere Sonne während ihrer gesamten Lebenszeit von 10 Milliarden Jahre ausstrahlen wird. Diese Schockwellen von Gammastrahlen und anderen energetischen Photonen sind die hellsten Ereignisse im Universum. Wenn Gamma Ray Bursts in der Milchstraße aufgetreten sind, spekulieren Wissenschaftler, dass sie möglicherweise das Klima der Erde verändert haben und Massenaussterben induzierte. Zum Glück, die Ausbrüche sind so selten, dass sie in der Regel sicherer Entfernung auftreten – weit genug, dass nur ein leichter Nebel von Photonen unseres Planeten erreicht. NASA Fermi Gamma-Ray Space Telescope startete in den Orbit 2008 den Himmel für diese Nebel der Vergangenheit Schockwellen zu scannen.

Robert Nemiroff, Astrophysiker am Michigan Technological University und Kollegen vor kurzem warf einen Blick auf Daten aus einem Gammablitz erkannt durch das Fermi-Teleskop im Mai 2009.

"Ursprünglich wir waren auf der Suche nach etwas anderes, aber wurden als zwei der höchsten Energie Photonen aus diesem erkannten Gamma-Ray Burst innerhalb einer einzelnen Millisekunde erschien geschlagen", sagte Nemiroff die Geheimnisse des Lebens wenig. Als die Physiker die Daten genauer ansah, fand sie eine dritte Gamma Ray Photon innerhalb einer Millisekunde des anderen zwei.

Computer-Modelle zeigten, dass es sehr unwahrscheinlich sei, dass die Photonen durch verschiedene Gamma Ray Bursts emittiert werden können würden, oder gleich zu unterschiedlichen Zeiten platzen. Infolgedessen sagte "schien es sehr wahrscheinlich, dass uns, die diese drei Photonen in weiten Teilen des Universums zusammen gereist, ohne Dispergieren," Nemiroff. Trotz leicht unterschiedliche Energien (und somit unterschiedliche Wellenlängen), waren die drei Photonen in extrem engen Unternehmen für die Dauer ihrer Marathon-Wanderung auf die Erde.

Viele Dinge – z.B. Sterne, interstellaren Staub – könnte die Photonen zerstreut haben. "Aber nichts, was wir wissen können un-Gamma-Ray Photonen zerstreuen" Nemiroff sagte. "So dass wir dann feststellen, dass diese Photonen nicht zerstreut wurden. Also wenn sie nicht zerstreut wurden, dann das Universum sie allein gelassen. Also wenn das Universum der Planck-Skala Quanten Schaum, nach einigen Theorien gemacht wurde würde es nicht diese Photonen allein gelassen haben. Also diese Art von Planck-Skala Quanten Schäume gibt es nicht."

Das heißt, die Photonen fast gleichzeitige Ankunft weist darauf hin, dass die Raumzeit ist glatt wie Einstein vorgeschlagen, anstatt pixelig, wie moderne Theorien benötigen – zumindest nach unten bis knapp unter das Ausmaß der Planck-Länge, einem kleineren Maßstab als hat jemals wurde sondiert zuvor. Die Feststellung "kommt nah an beweisen [, dass die Raumzeit ist glatt] für eine Reihe von Parametern," Nemiroff sagte.

Die Erkenntnis, veröffentlicht im Juni in der Zeitschrift Physical Review Letters, droht theoretische Physikern zurückstellen mehrere Jahrzehnte durch Verschrottung eine ganze Klasse von Theorien, die versuchen, Einsteins Theorie mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen. Aber nicht jeder ist bereit, Quantengravitation über Bord zu werfen. [Top 3 Fragen Leute Fragen Astrophysiker (und Antworten)]

Andere Effekte?

"Die Analyse von Nemiroff Et Al. gemeldete ist sehr schön und eine auffallende Bestätigung, die diese Studien der Planck-Skala-Struktur der Raumzeit als einige von uns vorgeschlagen, vor langer Zeit getan werden können", sagte Amelino-Camelia, Urheber der Idee, dass Gammastrahlen die Bausteine der Raumzeit offenbaren könnte. "Aber die Behauptung, dass ihre Analyse erweist, ist, dass die Raumzeit"glatt mit Genauigkeit der Planck-Skala"ist eher naiv."

Um zu beweisen, dass Pixel Planck-Skala gibt es nicht, die Forscher müssten die Möglichkeit ausschließen, dass die Pixel der Photonen auf Art und Weise verteilt, die auf einfache Weise von den Photonen Wellenlängen abhängen nicht, sagte er. Die Pixel mehr subtile "quadratische" Einflüsse ausüben könnte beispielsweise oder konnten einen Effekt namens Doppelbrechung, die abhängig von der Polarisation der Lichtteilchen. Nemiroff und seine Kollegen müssten solche und andere Möglichkeiten ausschließen. Um zu beweisen, dass das Photon-Trio ein Glücksfall war, müssten die Ergebnisse dann unabhängige Bestätigung; eine zweite Reihe von gleichzeitigen Gamma-Ray Photonen mit Eigenschaften ähnlich wie die erste muss beachtet werden.

Ob all dies erreicht, Amelino-Camelia sagte, werden"zumindest für einige Ansätze zur Quantengravitation Problem, in der Tat ein Fall von gehen zurück ans Reißbrett."

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