Schemă a unei jerbe de radiaţii care se produce atunci când când o particulă cosmică cu mare energie se ciocneşte de atomii din atmosfera Pământului
Pentru că a fost testat și măsurat de nenumărate ori, știm un lucru despre universul nostru: niciun obiect nu poate depăși viteza luminii în vid. Este o limită impusă de teoria relativității a lui Einstein, în fapt un pilon fundamental al teoriei. Sigur, nu e deloc clar de ce stau lucrurile astfel, dar nu am identificat încă niciun obiect care să încalce acest principiu fundamental.
Lumina, deși omniprezentă și studiată intens de fizicieni, este puțin înțeleasă și are multe bizarerii. Un articol mai vechi al nostru evidențiază caracterul paradoxal și misterios al fotonilor: Lumina, unul dintre cele mai paradoxale lucruri din univers.
Explicația des întâlnită cu privire la imposibilitatea atingerii vitezei luminii, care urmează îndeaproape ecuațiile, face apel la necesitatea asigurării unei cantități infinite de energie pentru a putea accelera un obiect până la o viteză super-luminică. Cum este imposibil să asiguri o energie infinită, nu poți atinge viteza luminii.
Această explicație mi se pare eronată pentru că, din câte-mi dau seama, nu ține cont de faptul că viteza este relativă, un alt aspect esențial al teoriei einsteiniene. Un obiect din univers nu are nicio viteză, până nu îl pui în relație cu un alt obiect; până nu-l integrezi, așadar, într-un sistem de referință. Cum poți ști ce viteză are un obiect dacă nu există un sistem de referință universal? Nu poți. Ce viteză are, de pildă, planeta noastră? Niciuna, până nu stabilești sistemul de referință. Are o viteză raportat la Soare, una raportat la centrul galaxiei, la o altă galaxie etc.
Ce știm, pe baza teoriei relativității și a observațiilor este că:
a) lumina are viteza c față de orice altceva;
b) niciun obiect cu masă nu poate atinge viteza luminii (în raport cu un alt obiect).
Limita GZK
În univers, obiectele, fie ele particule elementare, atomi ori obiecte mai mari, nu se deplasează în vidul absolut. Particulele de mare energie care călătoresc prin spațiu (razele cosmice) sunt, în majoritate, protoni, electroni, nuclee atomice, pozitroni și anti-protoni. Aceste particule au sarcină electrică. Un obstacol pentru particule este reprezentat de limita GZK.
Limita GZK (Greisen–Zatsepin–Kuzmin) este limita superioară teoretică a energiei protonilor (razelor cosmice) care călătoresc din alte galaxii prin mediul intergalactic către galaxia noastră. Limita este de 5×1019 eV (50 EeV) sau aproximativ 8 jouli (energia unui proton care călătorește la ≈99,9999999999999999998% din viteza luminii). Limita apare ca efect al încetinirii în urma interacțiunilor protonilor cu radiația cosmică de fond pe distanțe lungi. Limita corespunde cu limita superioară a energiei la care razele cosmice au fost detectate experimental, deși unele măsurători indică depășiri ale acestei limite (mai jos vom reveni cu o explicație a acestei depășiri).
Spațiul, o aglomerare de diverse elemente
În spațiu se găsesc nu doar particulele enumerate mai sus. Sunt stele, planete, praf și gaz cosmic șamd. În plus, mai avem materia întunecată, energia întunecată, neutrino sau fotoni. Detalii pe acest subiect găsiți în: Cât cântărește spațiul gol?
Dar cea mai importantă barieră pentru particulele încărcate electric este reprezentată de fotonii care alcătuiesc radiația cosmică de fond (RCF), fotoni care sunt prezenți peste tot în spațiu și care au fost decuplați de materie la puțin timp după Big Bang. În cele mai „libere” zone din univers tot găsim o medie de 411 fotoni pe centimetru cub de spațiu, echivalând cu o temperatură de -270,45 °C (−273,15 °C este valoarea lui „zero absolut”, temperatură teoretică).
Dat fiind că acești fotoni primordiali se află uniform distribuiți peste tot în univers, probabilitatea ca o particulă încărcată electric să interacționeze cu ei este mare.
Ce se întâmplă pe timpul interacțiunilor dintre particule de mare energie și fotoni RCF?
La energii mici, particulele încărcate electric și fotonii RCF fac schimb de energie și impuls, dar, în esență, aceasta este o metodă ineficientă de a „fura” energie de la particulele cu viteză foarte mare.
Dar dacă particulele depășesc un anumit prag energetic (pentru protoni asta înseamnă în jur de 1017 electron-volți), atunci interacțiunile au alte efecte. Pot apărea, de exemplu (efect al E=mc2) perechi electron-pozitron, iar când protonii încep să interacționeze cu electroni și pozitroni, încep să piardă rapid energie (0,1% din energie la fiecare coliziune). La energii superioare însă se vor crea pioni, particule care au capacitatea de absorbi circa 20% din energia protonilor. Acesta este mecanismul care impune limita GZK.
Dar spuneam mai sus că unele măsurători indică depășiri ale acestei limite. Care este cauza? Explicația stă în diversitatea de particule care sunt încadrate la „raze cosmice”. Pe lângă protonii pe care i-am tot amintit mai sunt, în proporție mică sunt prezente și nuclee de heliu, carbon, oxigen, magneziu, siliciu, sulf șamd până la fier (care este de 56 de ori mai greu decât nucleul de hidrogen).
Nu există o limită de energie pentru razele cosmice, ci o limită a vitezei, care este de 99,99999999999999999998% din viteza luminii în vid.
Așadar, particulele care călătoresc prin cosmos nu pot depăși viteza luminii, ca urmare a interacțiunii cu fotonii RCF, care duce la generarea de noi particule (cum ar fi pionii) care preiau o parte din energia acestor particule. Particulele nu doar că nu pot atinge viteza luminii, dar nici nu-și pot menține viteza dacă este foarte apropiată de viteza luminii.
Inspirat de: BigThink
