Naukowcy od dawna uwzględniają w swych pracach dwa fakty fizyczne: to że prędkości relatywistyczne zmieniają właściwości cząsteczek oraz to, że nasze pomiary czasu mają skończoną dokładność, która nie może być większa od czasu Plancka. Teraz po raz pierwszy spróbowano połączyć te dwa efekty. W rezultacie otrzymano ciekawe wnioski związane z promieniowaniem kosmicznym.

Autorem pracy, która ukazała się w wydaniu “Astrophysical Journal Letters” z 1 kwietnia 2002 roku jest Richard Lieu z Uniwersytetu Alabamy w Huntsville.

Czas jest parametrem uwzględnianym we wszystkich naszych pomiarach ” – mówi Lieu. -“Energia cząsteczki, jej częstotliwość, wszystkie te wartości są mierzone w jednostkach na sekundę. A dokładność zegarów ogranicza czas Plancka, żaden pomiar czasu nie może być dokładniejszy niż czas Plancka“.

W fizyce przyjmuje się, że czas Plancka jest najmniejszym odstępem czasowym. Wynosi on 5 razy 10 do -44 sekundy (44 zera po przecinku, a na końcu piątka).

Ale to jak odczuwamy czas zależy od prędkości z jaką się poruszamy. Dla obserwatora poruszającego się wraz z cząsteczkami promieniowania, pędzącymi z prędkościami bliskimi prędkości światła, czas w laboratorium na Ziemi wydaje się płynąć dużo wolniej. Dlatego czas Plancka ograniczający dokładność pomiarów w laboratorium jest dla takiego obserwatora dużo dłuższy, więc i dokładność pomiarów staje się mniejsza.

Oznacza to, że gdy mierzymy w laboratorium czas dla cząsteczek, związane z pomiarem niedokładności są dużo większe niż czas Plancka” – mówi Lieu.

Obserwator, który odkrył obiekt poruszający się z prędkościami relatywistycznymi, może próbować obliczyć, jaką energię ma ten obiekt, jednak nie może obliczyć jak wolniej czy szybciej czas płynie dla tego obiektu i to będzie miało wpływ na wszystkie pomiary jego parametrów, w tym energię. Im większa względna prędkość obiektów, tym niedokładności te są znaczniejsze.

Z niedokładnościami tymi może być związana tajemnica najbardziej energetycznego promieniowania kosmicznego. Uważa się, że cząstki tego promieniowania to jądra atomów, pozbawionych elektronów i przyspieszonych do prędkości bardzo bliskich prędkościom światła. Są to największe prędkości jakie do tej pory zmierzono. Każda cząstka ma energię 10 do 20 elektronowoltów.

Są dowody wskazujące na to, że promieniowanie to pochodzi spoza naszej Galaktyki, ale z drugiej strony, jeżeli pochodzi ono z innej części Wszechświata, to nie powinno do nas w ogóle dotrzeć.

Podróżując z tak ogromnymi prędkościami cząsteczki promieniowania powinny zderzać się z fotonami mikrofalowego promieniowania tła. Ze względu na wielkie prędkości cząsteczek, z ich punktu widzenia, do zderzenia dochodzi nie z niskoenergetycznym fotonem, lecz z fotonem promieniowania gamma.

Podczas kolizji z którą związane są tak wielkie energie, cząsteczki przekształcają się w piony i wytracają zarówno swoja energię jak i prędkość. Po kilku takich kolizjach nie ma szans, aby dotarły do Drogi Mlecznej wciąż posiadając energię 10 do 20 elektronowoltów.

Ale fakt, że je obserwujemy, wskazuje że jakoś przeżyły podróż” – zauważa Lieu.

Podczas eksperymentów laboratoryjnych, w których jony są podczas kolizji przekształcane w piony przy udziale promieniowania gamma, cząstki nie posiadają żadnej prędkości. Zakładając, że w układzie poruszającym się z prędkością relatywistyczną wszystko odbywa się tak samo, zderzeniu nieruchomego jonu z fotonem promieniowania gamma odpowiada zderzenie się cząstki promieniowania kosmicznego z fotonem promieniowania tła. w takim wypadku, promieniowanie nie przetrwałoby swojej podróży.

I tutaj może kryć się haczyk. Nikt nie zaobserwował w warunkach laboratoryjnych jak cząstka o energii 10 do 20 elektronowolta zderza się z fotonem – zauważa Lieu. – “Ponieważ tego nie potrafimy, staramy się opisać sytuację z punktu widzenia obserwatora poruszającego się wraz z promieniowaniem. Wtedy opisujemy kolizję w sposób, który znamy“.

Ale czas Plancka, który dla nas jest niewielki, staje się znacznie dłuższy z perspektywy cząstek promieniowania. To wpływa znacznie na wyniki i powoduje większy zakres błędu i tak naprawdę nie wiemy, co się dzieje podczas zderzenia.

Wyzwolona energia może nie wystarczać do powstania pionów. Zamiast tego, to fotony promieniowania tła mogą odbijać się od cząstek wysokoenergetycznego promieniowania tła, a co najmniej połowa samych cząstek może dolatywać do nas.

Wygląda na to, że gdy mamy do czynienia z cząsteczkami o tak dużych energiach, nie możemy stosować zwykłej fizyki laboratoryjnej” – podsumowuje Lieu.

Autor

Anna Marszałek