Επιστήμονες που στο παρελθόν είχαν κάνει μια νύξη ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις στον χωροχρονικό ιστό του σύμπαντος επιβραδύνουν την ταχύτητα του φωτός, δεν επιβεβαιώνονται από τις παρατηρήσεις του τηλεσκοπίου Fermi της NASA. Οι νέες μετρήσεις είναι αντίθετες με το αποτέλεσμα του 2005 που υποστήριξαν την ιδέα ότι ο χωροχρόνος δεν είναι ομαλός.
Στην εικόνα διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός από μια μακρινή έκρηξη ακτίνων-γ ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα, έως τις κβαντικές κλίμακες
Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν λέει ότι όλες οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες ταξιδεύουν στο κενό με την ταχύτητα του φωτός. Αυτή η ταχύτητα προβλέπεται να είναι σταθερή, ανεξάρτητα από την ενέργεια (συχνότητα) της ακτινοβολίας.
Ωστόσο, το 2005, επιστήμονες στο τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα MAGIC στις Καναρίους Νήσους πρότειναν ότι η ταχύτητα του φωτός μπορεί να μην είναι πάντα σταθερή. Το τηλεσκόπιο, το οποίο μέτρησε το φως που απελευθερώθηκε από ένα γαλαξία περίπου 500 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας, διαπίστωσε ότι τα φωτόνια με τη μεγαλύτερη ενέργεια έφτασαν με καθυστέρηση τεσσάρων λεπτών από αυτά με χαμηλότερη ενέργεια.
Κοκκώδες σύμπαν
Η ανακάλυψη αυτή υπαινίχθηκε ότι η ταχύτητα του φωτός μπορεί να αλλάζει ανάλογα με την ενέργεια της. Αυτό όμως το αποτέλεσμα μπορεί να είναι συνεπές με ορισμένες θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας, που προσπαθούν να ενοποιήσουν τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Αυτά τα μοντέλα υποθέτουν πως ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι ομαλά. Αντίθετα, σύμφωνα με αυτά τα μοντέλα, ο χωροχρόνος είναι εγγενώς κοκκώδης, που ταλαντεύεται ταχύτατα σε αποστάσεις περίπου 10-35 μέτρων, το γνωστό μήκο ή κλίμακα του Planck.
Εάν ο χωροχρόνος έχει κοκκώδη υφή, τότε τα υψηλότερης ενέργειας φωτόνια θα κινούνται πιο αργά από ό,τι τα χαμηλότερης ενέργειας. Αυτό συμβαίνει γιατί τα φωτόνια με την υψηλότερη ενέργεια έχουν μικρότερα μήκη κύματος, το οποίο τις καθιστά πιο ευαίσθητες στις μικροσκοπικές διακυμάνσεις στο χωροχρόνο.
Στην παραπάνω εικόνα ένα φωτόνιο (μωβ) μεταφέρει 1 εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από ένα άλλο φωτόνιο με χρώμα κίτρινο. Κάποιοι θεωρητικοί προβλέπουν πως το ταξίδι καθυστερεί για τα φωτόνια με υψηλή ενέργεια, γιατί αλληλεπιδρούν ισχυρά με την προτεινόμενη αφρώδη φύση του χωροχρόνου. Στα πειραματικά δεδομένα του τηλεσκοπίου Fermi τα δύο φωτόνια από την έκρηξη ακτίνων γάμμα απέτυχαν να δείξουν αυτό το φαινόμενο, απομακρύνοντας έτσι κάποιες προσεγγίσεις για μια νέα θεωρία της βαρύτητας
Ωστόσο, η υστέρηση που βρήκε το MAGIC ήταν προφανώς πολύ μεγάλη για να εξηγηθεί εύκολα από την κοκκώδη υφή στην κβαντική κλίμακα. Εάν η καθυστέρηση είχε προκληθεί από την διακυμάνσεις στον χωροχρόνο, θα έπρεπε να συμβεί σε κλίμακες πάνω από 10 φορές μεγαλύτερες από την κλίμακα Planck.
"Αυτό το αινιγματικό στοιχείο περιφερόταν στην κοινότητα της κβαντικής βαρύτητας για περισσότερο από ένα χρόνο τώρα, με μια ελπίδα για την προοδευτική πλευρά, και πόνους στο στομάχι για τη συντηρητική πλευρά», λέει ο φυσικός Giovanni Amelino-Camelia του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης, στην Ιταλία.
Τώρα όμως νέες παρατηρήσεις δείχνουν πως η κβαντική βαρύτητα, δεν μπορεί να ευθύνεται για την καθυστέρηση που παρατηρήθηκε στον χρόνο που ανίχνευσε το MAGIC. Έτσι, δύο φωτόνια από μια ισχυρή έκρηξη ακτίνων-γ, κάπου 7 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, ανιχνεύθηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi της NASA με χρονική καθυστέρηση μόνο εννέα δεκάτων του δευτερολέπτου και δεν προκύπτουν έτσι αποδείξεις για μια υστέρηση μεταξύ φωτονίων διαφόρων ενεργειών.
"Έχουμε τώρα λιγότερους πόνους στο στομάχι," λέει ο Amelino-Camelia. «Τα δεδομένα του Fermi απέδειξαν πως τα δεδομένα του MAGIC δεν μπορούν να ερμηνευθούν με αυτόν τον τρόπο."
Η μέτρηση του Fermi είναι η πιο αυστηρή άμεση παρατήρηση για το πόσο μπορεί να μεταβάλλεται η ταχύτητα του φωτός ανάλογα με την ενέργεια, λέει ο Jonathan Granot από το Πανεπιστήμιο του Hertfordshire στην Αγγλία, ο οποίος ηγήθηκε της ανάλυσης της έκρηξης. "Για πρώτη φορά, μπορούμε να θέσουμε το όριο στην κλίμακα της ενέργειας στην οποία τα κβαντικά φαινόμενα θα μπορούσαν να αλλοιώσουν τη γεωμετρία του χωροχρόνου."
Εξήγηση
Η χρονική καθυστέρηση στο MAGIC μπορεί να οφείλεται σε μια αστροφυσική διαδικασία, όπου τα σωματίδια επιταχύνονται μέσα σε τεράστιες πηγές ενέργειας στο εσωτερικό των γαλαξιών. Κάποιοι υπολογισμοί που έγιναν μετά το 2005 για το αποτέλεσμα του MAGIC έδειξαν ότι είναι δυνατόν να παραχθούν εκλάμψεις που να ελευθερώνουν ακτινοβολία χαμηλότερης ενέργειας πριν από την ακτινοβολία υψηλότερης ενέργειας, σύμφωνα με τον συνεργάτη του MAGIC Robert Wagner από το Ινστιτούτο Max Planck στο Μόναχο. "Νομίζω ότι αυτό που μπορούμε να πούμε προς το παρόν είναι ότι οι συνέπειες της κβαντικής βαρύτητας δεν μπορούν να είναι το κυρίαρχο αποτέλεσμα», λέει.
Το αποτέλεσμα αυτό εν τούτοις δεν επέφερε κατ ανάγκη πλήγμα στην κβαντική βαρύτητα. Μόνο ένα υποσύνολο των μοντέλων της προβλέπουν το αποτέλεσμα αυτό του MAGIC, και «ενώ φαίνεται λογικό να περιμένουμε ότι η διακύμανση της ταχύτητας του φωτός ανάλογα με την ενέργεια είναι ένα σημάδι του κβαντικού χωροχρόνου, δεν υπάρχει καμιά ανεπτυγμένη θεωρία του κβαντισμένου χωροχρόνου που να κάνει καθαρά την πρόβλεψη αυτή," αναφέρει ο Lee Smolin του Ιδρύματος Perimeter πάνω στη θεωρητική φυσική στον Καναδά.
Επιπλέον, θα απαιτηθούν ακόμη πιο ακριβείς μετρήσεις από το τηλεσκόπιο Fermi για να αποκλειστεί τελείως η πιθανότητα ότι το φως μπορεί να αλλάζει την ταχύτητά του ανάλογα με την ενέργεια του. "Εάν υπάρχει ένα φαινόμενο, το πείραμα βρίσκεται τώρα στο κατώτατο όριο της κλίμακας, όπου το αποτέλεσμα είναι αναμενόμενο, και υπάρχει η συναρπαστική προοπτική ότι αυτό θα μπορούσε να ανακαλυφθεί κατά τα επόμενα χρόνια», πιστεύει ο Smolin.
