Η συνηθισμένη φυσική δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην μελέτη των κοσμικών ακτίνων

Από σελίδα του UniSci, 22 Μαρτίου 2002

Η ένωση δύο γνωστών αλλά προηγουμένως μη συνδυαζομένων επιστημονικών εννοιών, μπορεί να καταστήσει αμφισβητήσιμες ορισμένες επικρατούσες υποθέσεις, που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη της φυσικής των πολύ γρήγορων σωματίων και του κόσμου στους οποίους κινούνται.

Οι φυσικοί το είχαν καταλάβει από καιρό αλλά ποτέ δεν είχαν μελετήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ της πεπερασμένης ακρίβειας των ρολογιών και του πώς ταξιδεύοντας με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, διαστρεβλώνεται ο χρόνος, σύμφωνα με τον Δρ Richard Lieu, έναν συνεργαζόμενο καθηγητή της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα στο Χούντσβιλ (UAH). Αυτό είναι το θέμα μιας ερευνητικής εργασίας που θα δημοσιευθεί την 1η Απριλίου στο περιοδικό Astrophysical Journal Letters.

"Ο χρόνος είναι μια βασική παράμετρος όλων των πειραμάτων μας," λέει ο Lieu. "Η ενέργεια ενός κινούμενου σωματίου, η συχνότητά του δηλαδή, μετριέται με κύκλους ανά δευτερόλεπτο. Και ο χρόνος Planck ελέγχει την ακρίβεια των ρολογιών μας. Τα ρολόγια μας δεν μπορούν να είναι ακριβέστερα από τον χρόνο Planck."

Στη φυσική, το μικρότερο μετρήσιμο διάστημα του χρόνου είναι ο χρόνος Planck, 5*10^-44 δευτερόλεπτα.  Αυτό αντιπροσωπεύει το όριο για το πόσο ακρίβεια μπορούν να έχουν τα ρολόγια μας.

Αλλά ο αντιληπτός χρόνος εξαρτάται από την ταχύτητα ενός αντικειμένου σχετικά με το ρολόι που κάνει τις μετρήσεις. Για κάποιον που κινείται μαζί με την κοσμική ακτίνα, ο χρόνος θα φαινόταν να τρέχει κανονικά, ενώ τα ρολόγια σε ένα στάσιμο εργαστήριο θα εμφανίζονταν να τρέχουν πολύ πιό αργά. Από το πλαίσιο αναφοράς της κοσμικής ακτίνας, ο χρόνος Planck του εργαστηριακού ρολογιού -- το όριο δηλαδή της ακρίβειάς του -- θα φαινόταν μεγαλύτερος. Από το πλαίσιο λοιπόν αναφοράς των κοσμικών ακτίνων, το εργαστηριακό ρολόι γίνεται έτσι λιγότερο ακριβές.

"Αυτό σημαίνει ότι όταν χρησιμοποιείται το εργαστηριακό μας ρολόϊ, για να μετρήσει το "χρόνο" ενός γρήγορα κινούμενου σωματίου, οι σχετικές ανακρίβειες θα είναι πολύ μεγαλύτερες από ότι ο ίδιος ο χρόνος Planck," λέει ο Lieu.

Ένας παρατηρητής που στέκεται σε ένα εργαστήριο ή που βρίσκεται στο κενό,  με ένα διαστημικό σκάφος, μπορεί να ανιχνεύσει ένα αντικείμενο να κινείται με απίστευτη ταχύτητα, και ύστερα θα προσπαθεί να αποκρυπτογραφήσει πόση ενέργεια φέρνει αυτό το σωμάτιο. Το πρόβλημα, λέει ο Lieu, είναι ότι ένας παρατηρητής σε ένα εργαστήριο δεν μπορεί να μετρήσει ακριβώς πόσο γρήγορα ή πόσο αργά ρέει ο χρόνος σε εκείνο το γρήγορο αντικείμενο, και αυτό έχει επιπτώσεις στον τρόπο που μπορούμε να μετρήσουμε τις ιδιότητες του αντικειμένου, συμπεριλαμβανομένης και της ενέργειάς του.

"Όσο γρηγορότερη είναι η σχετική κίνηση (άρα τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ των ταχυτήτων των δύο αντικειμένων), με τόσο περισσότερη ανακρίβεια καθορίζεται τις συνθήκες του σωματίου," είπε.

Μερικά από τα προβλήματα που οι αστροφυσικοί μπορούν να αντιμετωπίσουν, που οφείλονται σε αυτή την ανακρίβεια,  φαίνονται στο μυστήριο των ισχυρότερων κοσμικών ακτίνων που ανιχνεύθηκαν ποτέ. Οι κοσμικές ακτίνες θεωρούνται πως είναι οι πυρήνες των ατόμων, όταν χάσουν αυτά τα ηλεκτρόνια τους και επιταχύνονται σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

"Η ταχύτητα αυτών των κοσμικών ακτίνων είναι πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός," λέει ο Lieu. "Είναι τα γρηγορότερα σωματίδια που έχουν ανιχνευθεί ποτέ. Κάθε ένα έχει περισσότερη ενέργεια από την ενέργεια μιας σφαίρας, 1020 electron volts."

Ενώ υπάρχουν στοιχεία ότι αυτές οι ισχυρότερες κοσμικές ακτίνες πρέπει να έρχονται έξω από το γαλαξία μας, εάν όμως προέρχονται από κάπου αλλού στο σύμπαν δεν πρέπει πραγματικά να φθάνουν σε μας καθόλου.

Το πρόβλημα είναι ότι με τις ταχύτητες που αυτά τα σωμάτια ταξιδεύουν, αυτά θα πρέπει να προσκρούουν στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου είναι ένα υπόλοιπο από το Big Bang,, και αποτελείται από   φωτόνια μικροκυμάτων που έχουν πολύ λιγότερη ενέργεια απ' όσο το ορατό φως.

Αυτές οι κοσμικές ακτίνες θεωρούνται ότι κινούνται τόσο γρήγορα, που όταν σκεπτώμαστε ότι κινούμαστε μαζί με ένα τέτοιο σωμάτιο, το βλέπουμε όχι να συγκρούεται με ένα επικείμενο φωτόνιο μικροκυμάτων, αλλά με μια ακτίνα γάμμα (μια περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, με πολύ περισσότερη ενέργεια από τις ακτίνες X).

Θυμηθείτε τον τύπο E=mc². Με την ενέργεια μιας τέτοιας ακτίνας γάμμα (πολύ μεγάλης ταχύτητας), κάθε σύγκρουση με την κοσμική ακτινοβολία, θα προκαλούσε μια πυρηνική αντίδραση, ελευθερώνοντας τόσο πολύ ενέργεια "Ε", που θα μετατρεπόταν σε ύλη, συγκεκριμμένα στα υποατομικά σωματίδια που λέγονται πιόνια. Τόσο πολύ ενέργεια Ε, που οι   συγκρούσεις θα έπρεπε να προκαλέσουν , σύμφωνα με μας πάνω στη Γη, την απώλεια ενέργειας και ταχύτητας των κοσμικών ακτίνων.

Μετά από μερικές από αυτές τις συγκρούσεις, οι υψηλότερες ενεργειακά κοσμικές ακτίνες γ, θα έπρεπε να επιβραδυνθούν πάρα πολύ προτού να φθάσουν στα περίχωρα του Γαλαξία μας και να φθάνουν κοντά στη Γη μεταφέροντας πια ενέργεια μόνο 1020 electron volts.

"Αλλά το γεγονός ότι τις ανιχνεύουμε σημαίνει ότι επιζούν του ταξιδιού," λέει ο Lieu.

Πώς όμως;

Τα εργαστηριακά πειράματα που εμφάνισαν πιόνια που παράγονται από τις, υψηλά ενεργειακές, συγκρούσεις χρησιμοποίησαν στάσιμα ιόντα και ακτίνες γάμμα, λέει ο Lieu. "Θεωρήσαμε ότι σε όλα τα ομοιόμορφα κινούμενα πλαίσια αναφοράς θα πρέπει να ισχύει η ίδια φυσική."

Εάν αυτό όμως ίσχυε και οι υπολογισμοί της ενέργειας, που έχουν οι πολύ υψηλές ενεργειακές κοσμικές ακτίνες είναι ακριβείς, τότε η σύγκρουση της κοσμικής ακτίνας με ένα φωτόνιο των μικροκυμάτων πρέπει να έχει το ίδιο αποτέλεσμα με τη σύγκρουση μιας ακτίνας γάμμα και ενός στάσιμου ιόντος. Και εάν αυτό είναι γεγονός, τότε εκείνες οι πολύ υψηλές ενεργειακές κοσμικές ακτίνες δεν θα έπρεπε να επιζήσουνι του διαγαλαξιακού ταξιδιού τους.

"Όμως κανένας δεν έχει παρατηρήσει ποτέ, κάτω από τους όρους των εργαστηρίων, πώς ένας πυρήνας των 1020 eV,  αλληλεπιδρά με ένα φωτόνιο. Προσπαθούμε να απεικονίσουμε τι συμβαίνει καθώς κινούμαστε μαζί με το σωμάτιο. Τότε θα μπορούμε να συμπεράνουμε τι συμβαίνει με μία σύγκρουση, που είναι γνωστή σε μας.

"Αλλά, όταν μια χρονική αβεβαιότητα είναι τόσο μικρή όπως ο χρόνος Planck σύμφωνα με μας στην πραγματικότητα είναι πολύ μεγαλύτερη από την σκοπιά της κοσμικής ακτίνας, αυτό αυξάνει συνολικά την αβεβαιότητα των εκτιμήσεών μας σχετικά με αυτό που συμβαίνει στην κοσμική ακτίνα. Το σφάλμα μας αυξάνει κατά πάρα πολύ.

"Επειδή οι χωροχρονικές διακυμάνσεις μας αποτρέπουν από τον προσδιορισμό του σωστού πλαισίου της αναφοράς στον οποίο ο πυρήνας βρίσκεται σε ηρεμία, δεν ξέρουμε ποια ενέργεια υποθέτουν (βλέπουν) τα φωτόνια των μικροκυμάτων σε αυτό το "σωστό "πλαίσιο της αναφοράς."

Εάν εκείνες οι υψηλές ενεργειακές κοσμικές ακτίνες δεν κάνουν πραγματικά ό,τι νομίζουμε ότι κάνουν, οι συγκρούσεις τους με τα φωτόνια μικροκυμάτων δεν θα ελευθερώνουν αρκετή ενέργεια για να δημιουργήσουν πιόνια. Αντ' αυτού, τα φωτόνια από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου θα αναπηδούσαν μακριά από τους πυρήνες των κοσμικών ακτίνων, όπως δηλαδή οι σφαίρες του τέννις που αναπηδούν από ένα θωρηκτό -- και οι πυρήνες θα ταξίδευαν εμπρός.

"Τουλάχιστον οι μισοί από εκείνους τους πυρήνες θα πρέπει να είναι σε θέση να διασχίσουνι το σύμπαν," λέει ο Lieu.

Δεδομένου ότι οι υψηλότερες ενεργειακές κοσμικές ακτίνες φθάνουν στη Γη και με την ενέργεια που μεταφέρουν εμφανίζονται να είναι 1020 eV, σε περιπτώσεις όπως αυτή, λέει ο Lieu, "φαίνεται ότι δεν μπορούμε πλέον να χρησιμοποιήσουμε τη συνηθισμένη, καθημερινή φυσική που μπορείτε να την ελέγξετε στο εργαστήριό σας για να  καταλάβετε τις ακτίνες γάμμα."