Επιστήμονες αμφισβητούν τον Αϊνστάιν για την ταχύτητα του φωτός. Theory that challenges Einstein's physics could soon be put to the test

Αν και η θεωρία πρωτοδιατυπώθηκε τη δεκαετία του 1990, σε άρθρο που δημοσίευσαν οι δύο επιστήμονες τη Δευτέρα στο περιοδικό Physical Review, περιγράφουν με ποιον τρόπο θα μπορούσε να ελεγχθεί. Scientists behind a theory that the speed of light is variable - and not constant as Einstein suggested - have made a prediction that could be tested. Credit: Imperial College London

Πρόκειται για τον ακρογωνιαίο λίθο της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, με την οποία προστέθηκε στις θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής.

Thanks to Einstein’s theory of general relativity, the speed of light in a vacuum is considered to be one of the fundamental constants of nature. Photograph: Hulton Archive/Getty Images

Ο λόγος για την ταχύτητα του φωτός στο κενό, που ισούται με 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και, σύμφωνα με τον διάσημο φυσικό, παραμένει αμετάβλητη για οποιονδήποτε παρατηρητή βρίσκεται ακίνητος ή κινείται χωρίς επιτάχυνση.

Αν και η παραπάνω τιμή έχει επιβεβαιωθεί από πολλά πειράματα, ο καθηγητής κοσμολογίας Τζοάο Μαγκέγιο από το Κολέγιο Imperial του Λονδίνου και ο αναπληρωτής καθηγητής αστροφυσικής Νάγιες Αφσόρντι από το πανεπιστήμιο του Ουάτερλου του Καναδά υποστηρίζουν πως δεν είναι θεμελιώδης σταθερά, αφού έχει μεταβληθεί κατά τη διάρκεια «ζωής» του σύμπαντος.

Για την ακρίβεια, σύμφωνα με τους δύο επιστήμονες, το φως διαδιδόταν με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα στο «νεογέννητο» σύμπαν, το οποίο είχε ασύλληπτη πυκνότητα και θερμοκρασία. Στη συνέχεια, όσο μειωνόταν η πυκνότητα και η θερμοκρασία, ελαττωνόταν σταδιακά και η ταχύτητα του φωτός, φθάνοντας τελικά στα 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο.

Αν και η θεωρία πρωτοδιατυπώθηκε τη δεκαετία του 1990, σε άρθρο που δημοσίευσαν οι δύο επιστήμονες τη Δευτέρα στο περιοδικό Physical Review, περιγράφουν με ποιον τρόπο θα μπορούσε να ελεγχθεί. Κι αυτό γιατί, αν ισχύει, θα πρέπει να ανιχνευθεί μία χαρακτηριστική «υπογραφή» στη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB), δηλαδή στο υπόλειμμα της ακτινοβολίας που εξέπεμπε το σύμπαν περίπου 380.000 χρόνια μετά τη δημιουργία του.

Ένα από τα κίνητρα αμφισβήτησης της «αιώνια» σταθερής ταχύτητας του φωτός, για τους δύο επιστήμονες, ήταν να δώσουν μία εναλλακτική εξήγηση για το γεγονός ότι το σύμπαν είναι «ομογενές και ισότροπο», δηλαδή φαίνεται το ίδιο σε όποια θέση παρατήρησης κι αν βρεθούμε και προς όποια κατεύθυνση και αν παρατηρήσουμε.

Μέχρι σήμερα, για να εξηγηθεί αυτή η ιδιότητα, οι περισσότεροι κοσμολόγοι προτείνουν τη θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού, υποστηρίζοντας δηλαδή πως στις πρώτες φάσεις δημιουργίας του, το σύμπαν γνώρισε μία φάση βίαιης και απότομης διαστολής, η οποία κατάφερε να του «χαρίσει» ομοιογένεια, αν και διήρκεσε για ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, το πρόβλημα με τον κοσμικό πληθωρισμό είναι πως δεν υπάρχει κάποια πειστική απάντηση ούτε για τον μηχανισμό που το προκάλεσε ούτε για τον λόγο που είχε τόσο μικρή διάρκεια.

Από την άλλη πλευρά, αν η υπόθεση των Μαγκέγιο και Αφσόρντι ευσταθεί, και το φως σε εκείνο το στάδιο της κοσμικής δημιουργίας είχε όντως πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα, τότε σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, η διάδοσή του προς όλες τις κατευθύνσεις θα μπορούσε να εξηγήσει την ομοιογένεια του σύμπαντος.

Σε μία τέτοια περίπτωση, όπως προβλέπουν, θα πρέπει οι διακυμάνσεις της πυκνότητας στο πρώιμο σύμπαν να έχουν ένα συγκεκριμένο μοτίβο. Έτσι, προβλέπουν πως το μέγεθος που μετρά αυτές τις διακυμάνσεις, και ονομάζεται φασματικός δείκτης, θα πρέπει να ισούται με 0,96478.

Με το σημερινό επίπεδο ακρίβειας των αστρονομικών παρατηρήσεων, ο φασματικός δείκτης έχει μετρηθεί ίσος περίπου με 0,968. Αν οι πιο ακριβείς μετρήσεις, μέσα στα επόμενα χρόνια, κάνουν την πραγματική τιμή να προσεγγίσει το νούμερο που προβλέπουν οι επιστήμονες, τότε θα ενισχυθεί η θεωρία τους, χωρίς ωστόσο αυτό να σημαίνει πως έχει επαληθευτεί.

Ωστόσο, στην περίπτωση που από την ακριβέστερη μέτρηση του φασματικού δείκτη προκύψει κάποια τιμή που αποκλίνει από την πρόβλεψή τους, τότε η θεωρία θα καταρριφθεί.

Πηγή: Niayesh Afshordi, João Magueijo. Critical geometry of a thermal big bang. Physical Review D, 2016; 94 (10) DOI: 10.1103/PhysRevD.94.101301

Σουπερνόβα ο δημιουργός του ηλιακού μας συστήματος; Low-mass supernova may have triggered formation of our solar system

Πιθανώς η ύπαρξη μας και η ύπαρξη ολόκληρου του ηλιακού συστήματος να οφείλεται σε μια έκρηξη σουπερνόβα. A research team has used new models and evidence from meteorites to propose that a low-mass supernova triggered the formation of our solar system. About 4.6 billion years ago, a cloud of gas and dust that eventually formed our solar system was disturbed. The ensuing gravitational collapse formed the proto-Sun with a surrounding disc where the planets were born. That cloud might be similar to some region in this much larger complex of gas and dust about 4,500 light-years away in the constellation Cygnus observed by NASA's Spitzer Telescope. Credit: NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA

Διεθνής ομάδα ερευνητών διατύπωσε μια ενδιαφέρουσα θεωρία για τη δημιουργία του ηλιακού μας συστήματος. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία η γέννηση του Ήλιου και των πλανητών είναι προϊόντα της επίδρασης που είχε στην περιοχή μας ένα σουπερνόβα, μια αστρική έκρηξη.

Η δημιουργία

A mosaic image of the Crab Nebula — a six-light-year-wide expanding remnant of a star's supernova explosion — captured by the Hubble Space Telescope. Photo: NASA, ESA/ J. Hester (Arizona State University)

Τυχαίες μεταβολές στην πυκνότητα νεφελωμάτων αερίων και σκόνης δημιουργούν συμπυκνώσεις ύλης. Οι συμπυκνώσεις αυτές αναπτύσσονται σιγά σιγά και τελικά αρχίζουν να συμπιέζονται κάτω από την ίδια τους τη βαρύτητα. Δημιουργούνται σφαιρίδια (globules), δηλαδή μικρά, πυκνά, σφαιρικά και σκοτεινά νέφη που είναι τα πρώτα στάδια των πρωτοαστέρων.

Στην περιοχή που βρίσκεται τώρα το ηλιακό μας σύστημα βρισκόταν ένα νεφέλωμα αερίων και σκόνης. Πριν από περίπου 4.6 δισ. έτη κάτι «πείραξε» το νεφέλωμα, προκαλώντας το φαινόμενο της συμπύκνωσης ύλης από το οποίο προέκυψε ο πρωτοαστέρας (που εξελίχθηκε στον Ήλιο) γύρω από τον οποίο σχηματίστηκε ο δίσκος ύλης από τον οποίο προέκυψαν οι πλανήτες και τελικά το ηλιακό μας σύστημα.

Κοσμικό CSI

At 4.6 billion years old, the Solar System is our solid, secure home in the Universe. But how did it come to be? In this episode we trace the system's birth from a thin cloud of dust and gas. Shocked by a nearby supernova, the pull of gravity and natural rotation spun it into a flat disc from which the Sun and planets coalesced. It all happened in the space of 700 million years, during which the planets jockeyed for position, dodging the brutal bombardment of deadly asteroids and setting into the neat, stable system that we now realize might be a rarity in the universe.

Οι μετεωρίτες θεωρούνται μέρος των δομικών υλικών του ηλιακού μας συστήματος και είναι υλικά τα οποία δεν κατάφεραν να ενσωματωθούν σε κάποιο διαστημικό σώμα (πλανήτη, δορυφόρο κλπ). Οι ερευνητές μελέτησαν συνέκριναν τα ίχνη από πυρήνες στοιχείων που υπήρχαν σε αφθονία όταν το ηλιακό μας σύστημα βρισκόταν σε βρεφική ηλικία (π.χ. πυρήνες βηρυλλίου) με αντίστοιχα στοιχεία από μετεωρίτες.

Επικεφαλής της ομάδας ήταν ο Γιονγκ Ζονγκ Κιαν της Σχολής Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου της Μινεσότα που θεωρείται αυθεντία στο τι συμβαίνει μετά από μια έκρηξη σουπερνόβα και τι χημικά στοιχεία δημιουργούνται από αυτή. Αφού μελέτησαν δεδομένα από μετεωρίτες οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι επίμαχοι πυρήνες από το βρεφικό ηλιακό σύστημα προέρχονταν από σουπερνόβα.

Οι ερευνητές σχεδίασαν στη συνέχεια μοντέλα και προσομοιώσεις που δείχνουν ότι αυτό που… πείραξε το νεφέλωμα που βρισκόταν στην περιοχή μας ήταν ένα σουπερνόβα. «Πρόκειται για τις ιατροδικαστικές αποδείξεις που χρειαζόμαστε για να εξηγήσουμε το πώς δημιουργήθηκε το ηλιακό μας σύστημα» αναφέρει ο Κιαν. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι το άστρο που εξερράγη είχε μάζα 12 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου κάτι που αν ισχύει είναι επίσης πολύ ενδιαφέρον αφού πρόκειται για την μικρότερη σε μέγεθος κατηγορία άστρων που αυτοκαταστρέφονται σε εκρήξεις σουπερνόβα. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Nature Communications».

Πηγή: Projjwal Banerjee, Yong-Zhong Qian, Alexander Heger, W C Haxton. Evidence from stable isotopes and 10Be for solar system formation triggered by a low-mass supernova. Nature Communications, 2016; 7: 13639 DOI: 10.1038/ncomms13639