Kredit gambar: NASA
Teori Relativitas Umum Einstein mendapat konfirmasi lain minggu ini berkat penelitian oleh seorang astronom dari NASA. Para ilmuwan mengukur energi total sinar gamma yang dipancarkan oleh semburan sinar gamma yang jauh dan menemukan bahwa mereka berinteraksi dengan partikel dalam perjalanan mereka ke Bumi sedemikian rupa sehingga tepat sesuai dengan prediksi Einstein.
Para ilmuwan mengatakan bahwa prinsip Albert Einstein tentang kekonstanan kecepatan cahaya bertahan di bawah pengawasan yang sangat ketat, sebuah temuan yang mengesampingkan teori-teori tertentu yang memprediksi dimensi ekstra dan struktur ruang "berbusa".
Temuan ini juga menunjukkan bahwa pengamatan dasar-dan-angkasa dasar dari sinar gamma berenergi tertinggi, suatu bentuk energi elektromagnetik seperti cahaya, dapat memberikan wawasan tentang sifat waktu, materi, energi, dan ruang pada skala sangat jauh di bawah tingkat subatomik - sesuatu yang beberapa ilmuwan pikir mungkin.
Floyd Stecker dari Goddard Space Flight Center NASA di Greenbelt, Md., Membahas implikasi dari temuan ini dalam edisi terbaru Astropartikel Physics. Karyanya sebagian didasarkan pada kolaborasi sebelumnya dengan pemenang Nobel Sheldon Glashow dari Universitas Boston.
"Apa yang Einstein kerjakan dengan pensil dan kertas hampir seabad yang lalu terus berpegang pada penelitian ilmiah," kata Stecker. "Pengamatan energi tinggi dari sinar gamma kosmik tidak mengesampingkan kemungkinan dimensi ekstra dan konsep gravitasi kuantum, tetapi mereka memang menempatkan beberapa batasan ketat tentang bagaimana para ilmuwan dapat menemukan fenomena seperti itu."
Einstein menyatakan bahwa ruang dan waktu sebenarnya adalah dua aspek dari satu entitas yang disebut ruangwaktu, konsep empat dimensi. Ini adalah dasar dari teori relativitas khusus dan umum. Sebagai contoh, relativitas umum berpendapat bahwa gaya gravitasi adalah hasil dari ruangwaktu yang terdistorsi massa, seperti bola bowling di atas kasur.
Relativitas umum adalah teori gravitasi dalam skala besar, sedangkan mekanika kuantum, yang dikembangkan secara mandiri pada awal abad ke-20, adalah teori atom dan partikel subatomik dalam skala yang sangat kecil. Teori-teori yang didasarkan pada mekanika kuantum tidak menggambarkan gravitasi, melainkan tiga kekuatan fundamental lainnya: elektromagnetisme (cahaya), gaya kuat (pengikatan inti atom), dan gaya lemah (terlihat pada radioaktivitas).
Para ilmuwan telah lama berharap untuk menggabungkan teori-teori ini menjadi satu "teori segalanya" untuk menggambarkan semua aspek alam. Teori-teori pemersatu ini - seperti gravitasi kuantum atau teori string - dapat melibatkan doa dimensi ruang ekstra dan juga pelanggaran teori relativitas khusus Einstein, seperti kecepatan cahaya yang merupakan kecepatan maksimum yang dapat dicapai untuk semua objek.
Karya Stecker melibatkan konsep yang disebut prinsip ketidakpastian dan invariansi Lorentz. Prinsip ketidakpastian, yang diturunkan dari mekanika kuantum, menyiratkan bahwa pada tingkat virtual partikel subatomik, juga disebut fluktuasi kuantum, muncul masuk dan keluar dari keberadaan. Banyak ilmuwan mengatakan bahwa ruangwaktu itu sendiri terdiri dari fluktuasi kuantum yang, jika dilihat dari dekat, menyerupai buih atau "busa kuantum." Beberapa ilmuwan berpikir busa kuantum ruangwaktu dapat memperlambat perjalanan cahaya - seperti halnya cahaya bergerak pada kecepatan maksimum dalam ruang hampa tetapi pada kecepatan lebih lambat melalui udara atau air.
Busa akan memperlambat partikel elektromagnetik berenergi lebih tinggi, atau foton - seperti sinar X dan sinar gamma - lebih dari foton energi yang lebih rendah dari cahaya tampak atau gelombang radio. Variasi mendasar dalam kecepatan cahaya, berbeda untuk foton dari energi yang berbeda, akan melanggar invariansi Lorentz, prinsip dasar teori relativitas khusus. Pelanggaran semacam itu bisa menjadi petunjuk yang akan membantu mengarahkan kita menuju teori unifikasi.
Para ilmuwan berharap menemukan pelanggaran invariansi Lorentz seperti itu dengan mempelajari sinar gamma yang datang dari jauh di luar Galaksi. Sebuah ledakan sinar gamma, misalnya, berada pada jarak yang sangat jauh sehingga perbedaan kecepatan foton dalam ledakan, tergantung pada energinya, dapat diukur - karena busa kuantum ruang dapat bertindak untuk memperlambat cahaya yang telah bepergian ke kami selama miliaran tahun.
Stecker melihat jauh lebih dekat ke rumah untuk menemukan bahwa invarian Lorentz tidak dilanggar. Dia menganalisis sinar gamma dari dua galaksi yang relatif dekat, sekitar setengah miliar tahun cahaya jauhnya dengan lubang hitam supermasif di pusatnya, bernama Markarian (Mkn) 421 dan Mkn 501. Lubang hitam ini menghasilkan sinar intens foton sinar gamma yang ditujukan langsung pada bumi. Galaksi-galaksi seperti itu disebut blazar. (Lihat Gambar 4 untuk gambar Mkn 421. Gambar 1 - 3 adalah konsep seniman tentang lubang hitam supermasif yang memperkuat quasar yang, ketika diarahkan langsung ke Bumi, disebut blazar. Gambar 5 adalah foto Teleskop Luar Angkasa Hubble dari blazar.)
Beberapa sinar gamma dari Mkn 421 dan Mkn 501 bertabrakan dengan foton inframerah di Semesta. Tabrakan ini menghasilkan penghancuran sinar gamma dan foton inframerah ketika energi mereka diubah menjadi massa dalam bentuk elektron dan elektron-antimateri bermuatan positif (disebut positron), menurut rumus terkenal Einstein E = mc ^ 2. Stecker dan Glashow telah menunjukkan bahwa bukti penghancuran sinar gamma berenergi tertinggi dari Mkn 421 dan Mkn 501, yang diperoleh dari pengamatan langsung terhadap benda-benda ini, menunjukkan dengan jelas bahwa invariansi Lorentz masih hidup dan sehat dan tidak dilanggar. Jika invariansi Lorentz dilanggar, sinar gamma akan menembus kabut inframerah extragalactic tanpa dimusnahkan.
Ini karena pemusnahan membutuhkan sejumlah energi untuk membuat elektron dan positron. Anggaran energi ini dipenuhi untuk sinar gamma berenergi tertinggi dari Mkn 501 dan Mkn 421 dalam berinteraksi dengan foton inframerah jika keduanya bergerak dengan kecepatan cahaya yang terkenal sesuai dengan teori relativitas khusus. Namun, jika sinar gamma bergerak pada kecepatan yang lebih lambat karena pelanggaran invarian Lorentz, energi total yang tersedia tidak memadai dan reaksi pemusnahan akan menjadi "tidak jalan."
“Implikasi dari hasil ini,” kata Stecker “adalah jika invariansi Lorentz dilanggar, maka pada tingkat yang sangat kecil - kurang dari satu bagian dalam seribu triliun - bahwa hal tersebut berada di luar kemampuan teknologi kami saat ini untuk menemukan. Hasil ini mungkin juga memberi tahu kita bahwa bentuk teori string atau gravitasi kuantum yang benar harus mematuhi prinsip invariansi Lorentz. "
Untuk informasi lebih lanjut, lihat "Kendala pada Invarian Lorentz yang Melanggar Gravitasi Kuantum dan Model Dimensi Ekstra Besar menggunakan Pengamatan Gamma Ray Energi Tinggi" online di:
Sumber Asli: Rilis Berita NASA
