Naukowcy donoszą, że licząca sobie prawie sto lat zasada niezmienności prędkości światła w dowolnym układzie odniesienia oparła się wszelkim próbom obalenia. Oznacza to, że niektóre nowoczesne teorie, przewidujące istnienie dodatkowych wymiarów i „pienistej” struktury Wszechświata, powędrują do kosza.

Doniesienia te dowodzą również, że na podstawie elementarnych obserwacji wysokoenergetycznego promieniowania gamma można odpowiedzieć na fundamentalne pytania dotyczące natury materii, czasu i przestrzeni na bardzo głębokim poziomie. Wielu naukowców nie sądziło, że jest to możliwe.

Dr Floyd Stecker z placówki NASA Goddard Space Flight Center opublikował w Astroparticle Journal artykuł traktujący o skutkach, jakie to odkrycie wywrze na najnowszych modelach kosmologicznych. Jego prace są po części oparte na wcześniejszej współpracy z laureatem nagrody Nobla Sheldonem Glashowem z University of Boston.

„To, co Einstein wykazał na papierze prawie wiek temu, nadal jest aktualne” – mówi Stecker. „Wyniki obserwacji wysokoenergetycznego promieniowania gamma nie wykluczają możliwości istnienia wielu wymiarów czy kwantowej grawitacji, ale nakładają na twórców takich teorii ścisłe ograniczenia„.

Einstein postulował, że przestrzeń i czas są tak naprawdę dwoma aspektami jednego, czterowymiarowego tworu, zwanego czasoprzestrzenią. Jest to podstawa zarówno szczególnej jak i ogólnej teorii względności.

Ogólna teoria względności jest teorią grawitacji na wielką skalę. Opisuje ona oddziaływanie bardzo masywnych obiektów na czasoprzestrzeń. Mechanika kwantowa, to teoria oddziaływań w skali mikroskopowej. Zajmuje się ona trzema innymi fundamentalnymi siłami: elektromagnetyzmem, oddziaływaniami silnymi (które wiążą jądro atomowe) i oddziaływaniami słabymi (które odpowiedzialne są między innymi za promieniotwórczość). Zaniedbuje natomiast grawitację.

Naukowcy od dawna mają nadzieję połączyć te dwie teorie i stworzyć „Teorię Wszystkiego”, która będzie opisywać wszystkie siły działające we Wszechświecie. Takie teorie, jak na przykład teoria kwantowej grawitacji albo teoria strun, czasami zawierały założenia sprzeczne z szczególną teorią względności i zakładające istnienie wielu ponad czterech wymiarów. W szczególności, niektóre z proponowanych „Teorii Wszystkiego” poddawały w wątpliwość zasadę mówiącą, że prędkość światła jest w każdym układzie odniesienia taka sama i jest maksymalną prędkością, jaką dowolny obiekt może osiągnąć. Tą regułę sformułował Albert Einstein w 1905 roku.

Prace Steckera zawierają rozważania na temat konceptów takich jak zasada nieoznaczoności i niezmienniczość interwału.Zasada nieoznaczoności, wynikająca z mechaniki kwantowej, dopuszcza istnienie tak zwanych fluktuacji kwantowych. Jest to efekt polegający na przypadkowej kreacji pary cząstka-antycząstka, które następnie anihilują i znikają. Wielu naukowców wierzy, że czasoprzestrzeń jest wypełniona takimi fluktuacjami, które poprzez ciągłe pojawianie się i znikanie cząstek upodabniają ją do wzburzonej piany – zwanej „kwantową pianą”. Według niektórych badaczy taka „pienista” struktura Wszechświata sprawia, że prędkość światła nie jest stała. Kwantowa piana spowalniałaby ich zdaniem wysokoenergetyczne fotony tworzące promieniowanie gamma, a pozostawałaby obojętna w stosunku do fotonów światła widzialnego i promieniowania X.

Takie postulaty są sprzeczne z zasadą niezmienniczości interwału, podstawą szczególnej teorii względności. Jeśli zasada niezmienniczości interwału nie byłaby spełniona, ułatwiłoby to stworzenie „Teorii Wszystkiego”. Niektórzy teoretycy próbowali znaleźć dowody świadczące przeciwko niezmienniczości interwału obserwując promieniowanie gamma dobiegające do nas z najdalszych krańców widzialnego Wszechświata. Ich zdaniem fotony o wysokiej energii przybywające do nas z tak daleka będą w mierzalnym stopniu spowolnione przez kwantową pianę.

Stecker sięgnął znacznie bliżej, by wykazać, że niezmienniczość interwału jest zachowana. Badał on światło dwóch względnie bliskich nam galaktyk, odległych o około pól miliarda lat świetlnych od Drogi Mlecznej. W centrum tych galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury, nazwane Mkn 421 i Mkn 501. Część promieniowania gamma z tych galaktyk zderza się z fotonami podczerwieni znajdującymi się w przestrzeni kosmicznej. Owocuje to zniszczeniem obu fotonów i powstaniem pary cząstek elektron–pozyton. Energia obu fotonów zamienia się w masę nowych cząstek zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E=mc².

Stecker i Glashow udowodnili na podstawie swoich obserwacji, że zasada niezmienniczości interwału jest zachowana. Gdyby była naruszona, fotony biegnące od Mkn 421 i Mkn 501 nie miałyby dosyć energii, by zanihilować z podczerwonymi fotonami przestrzeni międzygwiazdowej.

„Wniosek jest prosty. Jeśli niezmienniczość interwału jest naruszana, to w tak małym stopniu – mniej niż jak jeden do 10¹³ – że nasze przyrządy nie są w stanie tego wykryć” – twierdzi Stecker. „Oznacza to także, że każda proponowana teoria strun lub kwantowej grawitacji musi spełniać regułę niezmienniczości interwału„.