Crédito de imagem: NASA
A Teoria Geral da Relatividade de Einstein recebeu outra confirmação nesta semana, graças à pesquisa de um astrônomo da NASA. Os cientistas mediram a energia total dos raios gama emitidos por rajadas de raios gama distantes e descobriram que eles estavam interagindo com partículas a caminho da Terra de uma maneira que correspondia exatamente às previsões de Einstein.
Os cientistas dizem que o princípio de Albert Einstein da constância da velocidade da luz se mantém sob um escrutínio extremamente rigoroso, uma descoberta que exclui certas teorias que prevêem dimensões extras e uma estrutura "espumosa" de espaço.
A descoberta também demonstra que observações básicas baseadas em terra e no espaço dos raios gama de energia mais alta, uma forma de energia eletromagnética como a luz, podem fornecer informações sobre a própria natureza do tempo, matéria, energia e espaço em escalas extremamente abaixo o nível subatômico - algo que poucos cientistas pensavam ser possível.
O Dr. Floyd Stecker, do Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA, em Greenbelt, Maryland, discute as implicações desses achados em uma edição recente da Astroparticle Physics. Seu trabalho é baseado em parte em uma colaboração anterior com o prêmio Nobel Sheldon Glashow, da Universidade de Boston.
"O que Einstein elaborou com lápis e papel há quase um século continua a sustentar o escrutínio científico", disse Stecker. "As observações de alta energia dos raios gama cósmicos não descartam a possibilidade de dimensões extras e o conceito de gravidade quântica, mas colocam algumas restrições estritas sobre como os cientistas podem encontrar esses fenômenos".
Einstein afirmou que espaço e tempo eram na verdade dois aspectos de uma única entidade chamada espaço-tempo, um conceito quadridimensional. Esse é o fundamento de suas teorias da relatividade especial e geral. Por exemplo, a relatividade geral postula que a força da gravidade é o resultado do espaço-tempo que distorce a massa, como uma bola de boliche em um colchão.
A relatividade geral é a teoria da gravidade em larga escala, enquanto a mecânica quântica, desenvolvida independentemente no início do século XX, é a teoria do átomo e das partículas subatômicas em uma escala muito pequena. As teorias baseadas na mecânica quântica não descrevem a gravidade, mas as outras três forças fundamentais: eletromagnetismo (luz), forças fortes (núcleos atômicos de ligação) e forças fracas (vistas na radioatividade).
Os cientistas esperavam há muito tempo fundir essas teorias em uma "teoria de tudo" para descrever todos os aspectos da natureza. Essas teorias unificadoras - como a gravidade quântica ou a teoria das cordas - podem envolver a invocação de dimensões extras do espaço e também violações da teoria da relatividade especial de Einstein, como a velocidade da luz sendo a velocidade máxima atingível para todos os objetos.
O trabalho de Stecker envolve conceitos chamados princípio da incerteza e invariância de Lorentz. O princípio da incerteza, derivado da mecânica quântica, implica que, no nível subatômico, partículas virtuais, também chamadas flutuações quânticas, surgem dentro e fora da existência. Muitos cientistas dizem que o próprio espaço-tempo é composto de flutuações quânticas que, quando vistas de perto, se assemelham a uma espuma ou "espuma quântica". Alguns cientistas pensam que uma espuma quântica do espaço-tempo pode retardar a passagem da luz - assim como a luz viaja na velocidade máxima no vácuo, mas em velocidades mais lentas através do ar ou da água.
A espuma reduziria a velocidade de partículas eletromagnéticas de energia mais alta, ou fótons - como raios X e raios gama - mais do que fótons de energia mais baixa de luz visível ou ondas de rádio. Uma variação tão fundamental na velocidade da luz, diferente para fótons de diferentes energias, violaria a invariância de Lorentz, o princípio básico da teoria especial da relatividade. Essa violação poderia ser uma pista que nos ajudaria a apontar o caminho para as teorias da unificação.
Os cientistas esperavam encontrar violações de invariância de Lorentz estudando raios gama vindos de fora da galáxia. Uma explosão de raios gama, por exemplo, está a uma distância tão grande que as diferenças nas velocidades dos fótons na explosão, dependendo de sua energia, podem ser mensuráveis - já que a espuma quântica do espaço pode agir para diminuir a luz que foi viajando para nós por bilhões de anos.
Stecker olhou muito mais perto de casa e descobriu que a invariância de Lorentz não estava sendo violada. Ele analisou raios gama de duas galáxias relativamente próximas, a cerca de meio bilhão de anos-luz de distância, com buracos negros supermassivos em seus centros, chamados Markarian (Mkn) 421 e Mkn 501. Esses buracos negros geram intensos feixes de fótons de raios gama voltados diretamente para a Terra. Essas galáxias são chamadas blazares. (Consulte a Figura 4 para uma foto de Mkn 421. As imagens 1 a 3 são conceitos de buracos negros supermassivos que alimentam quasares que, quando apontados diretamente para a Terra, são chamados blazares. A Figura 5 é uma foto de um blazar do Telescópio Espacial Hubble.)
Alguns dos raios gama de Mkn 421 e Mkn 501 colidem com fótons infravermelhos no Universo. Essas colisões resultam na destruição dos raios gama e dos fótons infravermelhos, à medida que sua energia é convertida em massa na forma de elétrons e antimatéria-elétrons carregados positivamente (chamados positrons), de acordo com a famosa fórmula E = mc ^ 2 de Einstein. Stecker e Glashow apontaram que evidências da aniquilação dos raios gama de energia mais alta das Mkn 421 e Mkn 501, obtidas a partir de observações diretas desses objetos, demonstram claramente que a invariância de Lorentz está viva e bem e não está sendo violada. Se a invariância de Lorentz fosse violada, os raios gama atravessariam o nevoeiro infravermelho extragalático sem serem aniquilados.
Isso ocorre porque a aniquilação requer uma certa quantidade de energia para criar os elétrons e pósitrons. Esse orçamento de energia é satisfeito para os raios gama de maior energia do Mkn 501 e Mkn 421 na interação com fótons infravermelhos se ambos estiverem se movendo na conhecida velocidade da luz, de acordo com a teoria da relatividade especial. No entanto, se os raios gama em particular estivessem se movendo a uma velocidade mais lenta por causa da violação da invariância de Lorentz, a energia total disponível seria inadequada e a reação de aniquilação seria um "não-vai".
“As implicações desses resultados”, disse Stecker, “é que, se a invariância de Lorentz é violada, é em um nível tão pequeno - menos de uma parte em mil trilhões de dólares - que está além da capacidade da nossa tecnologia atual de encontrar. Esses resultados também podem estar nos dizendo que a forma correta da teoria das cordas ou da gravidade quântica deve obedecer ao princípio da invariância de Lorentz. ”
Para obter mais informações, consulte "Restrições à invariância de Lorentz que violam a gravidade quântica e os modelos de grandes dimensões extras usando observações de raios gama de alta energia" on-line em:
Fonte original: Comunicado de imprensa da NASA
