Μεταβάλλονται οι νόμοι της φύσης με τον χρόνο; 
Τι δείχνει η πειραματική έρευνα. (Μέρος 3ο από 4)

Άρθρο ανασκόπησης, του John Webb στο περιοδικό Physics World, Απρίλιος 2003

Ακριβείς μετρήσεις του φωτός από μακρινά κβάζαρ δείχνουν ότι η τιμή της σταθεράς της λεπτής υφής μπορεί να έχει αλλάξει κατά την εξέλιξη του Σύμπαντος. Αν αυτό επιβεβαιωθεί οι συνέπειες θα είναι τεράστιες για το οικοδόμημα της φυσικής. 

Ξανά πίσω στο εργαστήριο

Το 1998 οι John Web, Victor Flambaum, Vladimir Dzuba και John Barrow, βελτίωσαν την ακρίβεια προσδιορισμού της σταθεράς α τουλάχιστον κατά μία τάξη μεγέθους, αναλύοντας υπάρχοντα αστρονομικά δεδομένα με ένα νέο τρόπο. 

Πριν από αυτή τη δουλειά, το α μετριόταν κοιτάζοντας στη διπλή γραμμή π.χ. του απλά ιονισμένου Mg II. Το ιόν αυτό έχει ένα μόνο ηλεκτρόνιο στην εξωτερική του στιβάδα, και η πρώτη διεγερμένη στάθμη του χωρίζεται σε δύο στάθμες, ως αποτέλεσμα της σύζευξης σπιν και τροχιακής στροφορμής του ηλεκτρονίου. Η ενεργειακή διαφορά μεταξύ των δύο χωρισμένων σταθμών της δυάδας είναι ανάλογη με το α². Πράγματι, η λεπτή υφή ορίζεται ως ο διαχωρισμός των ενεργειακών σταθμών που οφείλεται σε αλληλεπιδράσεις μεταξύ τροχιακής στροφορμής και σπιν. 

Αυτός ο διαχωρισμός λεπτής υφής σημαίνει ότι το Mg II απορροφά φως σε δύο ελαφρά διαφορετικές συχνότητες όταν διεγείρεται από τη θεμελιώδη προς την πρώτη διεγερμένη στάθμη. Στο εργαστήριο αυτά τα μήκη κύματος είναι 2796 Å και 2803 Å. Η διαστολή του Σύμπαντος σημαίνει ότι τα μήκη κύματος που παρατηρούνται στα φάσματα των κβάζαρ, λ_obs, είναι μεγαλύτερα κατά ένα παράγοντα ο οποίος εξαρτάται από τη μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift), του αερίου: λ_obs = (1 + z)λ, όπου z, είναι το redshift και λ είναι το αρχικό μήκος κύματος. 

Οι μεταβολές που προκαλούνται στο φάσμα από το redshift και οποιαδήποτε μεταβολή του α, είναι διαφορετικές μεταξύ τους και μπορούμε εύκολα να τις ξεχωρίσουμε. Ενώ το αποτέλεσμα του redshift είναι να πολλαπλασιάζεται το μήκος κύματος όλων των γραμμών κατά ένα παράγοντα 1 + z, οποιαδήποτε μεταβολή του α αλλάζει μόνο τη διαφορά μεταξύ των γραμμών της δυάδας των σταθμών.

Όμως η διπλή γραμμή του μαγνησίου αποτυγχάνει να εκμεταλευτεί μια κρίσιμη φυσική άποψη. Τα ηλεκτρόνια περνούν τον περισσότερο χρόνο τους κοντά στον πυρήνα, όταν ένα άτομο ή ιόν βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση,  παρά όταν βρίσκεται σε μια διεγερμένη κατάσταση. Επειδή η σταθερά α ουσιαστικά εκφράζει την ισχύ της αλληλεπίδρασης μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων, κάθε μεταβολή στο α θα έχει μεγαλύτερη συνέπεια στο άτομο ή το ιόν όταν αυτό βρίσκεται στη θεμελιώδη του κατάσταση. Αλλά η μέθοδος της διπλής γραμμής του μαγνησίου χρησιμοποιεί μόνο ένα είδος ατόμων και έτσι μετράμε σε σχέση με την ίδια θεμελιώδη κατάσταση. Έτσι χάνουμε ένα πλεονέκτημα της μεθόδου.  

Για τους λόγους αυτούς οι John Web, Victor Flambaum, Vladimir Dzuba ανέπτυξαν μια μέθοδο όπου χρησιμοποίησαν διαφορετικά σύνολα γραμμών απορρόφησης και συνέκριναν μήκη κύματος αναφερόμενα ως προς διαφορετικές θεμελιώδεις καταστάσεις. Μόλις συνειδητοποίησαν ότι συγκρίνοντας τις εργαστηριακές μετρήσεις με τις μετρήσεις από τα κβάζαρ με τον τρόπο αυτό επιτυγχανόταν μια μεγάλη αύξηση στην ευαισθησία, αντιμετώπισαν την πρόκληση να υπολογίσουν πόση θα ήταν η μεταβολή στην ενέργεια της θεμελιώδους στάθμης για μια δεδομένη μεταβολή του α.  Όταν θα είχαν την πληροφορία αυτή θα μπορούσαν να μεταφράσουν οποιαδήποτε διαφορά μεταξύ των μετρήσεων στο εργαστήριο και από τα κβάζαρ, σε ένα ανώτερο όριο για κάθε πιθανή μεταβολή της τιμής του α. 

Ένα ακόμη πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου των "πολλών πολλαπλών καταστάσεων" είναι ότι τα ελαφρά στοιχεία, όπως το μαγνήσιο δεν αντιδρούν ισχυρά σε μια μεταβολή του α, πράγμα που κάνουν τα βαρύτερα στοιχεία όπως ο σίδηρος. Αυτό σημαίνει ότι τα ελαφρά στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως "άγκυρες" ως προς τις οποίες μπορούμε να μετράμε τις μεταβολές στα βαρύτερα στοιχεία. (Εικόνα 3). 

Εικόνα 3. Για να ελέγξουμε αν η τιμή της σταθεράς α έχει αλλάξει κατά την ιστορία του Σύμπαντος, είναι αναγκαίο να συγκρίνουμε τα μήκη κύματος διαφόρων γραμμών απορρόφησης στα φάσματα των κβάζαρ, αφού αφαιρεθεί το φαινόμενο του redshift, με τα αντίστοιχα μήκη κύματος όπως μετρούνται στο εργαστήριο. Η επάνω (πράσινη) γραμμή στην εικόνα δείχνει τη θέση των διαφόρων γραμμών απορρόφησηςστα άτομα και ιόντα του πυριτίου (Si), σιδήρου (Fe), αργιλίου (Al), ψευδαργύρου (Zn), χρωμίου (Cr) και μαγνησίου (Mg), όπως μετρούνται στο εργαστήριο. Το μαγνήσιο Ι είναι το ουδέτερο μαγνήσιο, το μαγνήσιοΙΙ είναι το απλά ιονισμένο μαγνήσιο, δηλαδή το ιόν Mg⁺. Τα μήκη κύματος αυτών των γραμμών αυτών εξαρτώνται κατά διαφόρους τρόπους από το α, και οι χρωματιστές γραμμές δείχνουν που θα βρίσκονταν οι γραμμές απορρόφησης αν το α ήταν μικρότερο στο παρελθόν απ' ότι είναι σήμερα. Η κόκκινη γραμμή αντιστοιχεί σε μια τιμή του α που ήταν το 90% της σημερινής, (δηλαδή Δα/α = 0,1), η πράσινη αντιστοιχεί στο 80% κοκ. Παρατηρείστε πως σε μερικά άτομα δύσκολα μετατοπίζονται οι γραμμές καθώς μεταβάλλεται το α, π.χ. το πυρίτιο, ενώ σε άλλα μετατοπίζονται προς μεγαλύτερα μήκη κύματος (σίδηρος), και σε άλλα προς μικρότερα (ψευδάργυρος). Η παρατήρηση αυτή είναι σημαντική διότι δείχνει ότι θα ήταν δύσκολο για άλλα φαινόμενα εκτός της μεταβολής του α να εξηγήσουν όλες τις μετατοπίσεις των φασματικών γραμμών.   

Όταν όμως επιχειρήθηκε να εφαρμοστεί για πρώτη φορά η μέθοδος αυτή των πολλών πολλαπλών γραμμών σε πραγματικά αστροφυσικά δεδομένα, οι ερευνητές βρέθηκαν μπροστά σε μια έκπληξη. Οι φασματογράφοι υψηλής διακριτικής ικανότητας των μεγαλυτέρων  αστεροσκοπεων, ήταν ικανοί να μετρούν τα μήκη κύματος από τα κβάζαρ με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια απ' ότι είχαν ποτέ μετρηθεί στα εργαστήρια. Με άλλα λόγια οι ερευνητές γνώριζαν περισσότερα για τη λεπτή δομή των ατόμων12 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, παρά για τα σημερινά άτομα. Έτσι οι προσπάθειες να ανιχνευτούν μεταβολές του α περιορίζονταν από τα πλιά πειραματικά δεδομένα. 

Προηγήθηκε λοιπόν μια προσπάθεια να μετρηθούν τα αντίστοιχα μήκη κύματος και στο εργαστήριο με μεγάλη ακρίβεια.

Αφότου ξεκίνησε το πρόγραμμα το 1998, μετρήθηκαν 75 κβάζαρ σε αποστάσεις μέχρι 13 δισεκατομμύρια έτη φωτός, με το τηλεσκόπιο Keck 1 διαμέτρου 10 μέτρου στη Χαβάη. Τα αποτελέσματα είναι εκπληκτικά. Υπάρχει μια στατιστικά σημαντική ένδειξη ότι το α μπορεί κατά το παρελθόν να είχε ελαφρά μικρότερη τιμή, αλλά μόνο κατά 1 μέρος στα 10⁵ . Διερευνήθηκαν διάφορες πιθανές πηγές σφάλματος αλλά αυτές δεν μπορούν να εξηγήσουν τα ευρήματα των μετρήσεων. 

Βέβαια όλα τα δεδομένα προέρχονται από το ίδιο όργανο μέτρησης, τον φασματογράφο HIRES του Keck 1, και οπωσδήποτε χρειάζονται ν' αναλυθούν δεδομένα και από άλλα όργανα και τηλεσκόπια όπως το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο(VLT) του Ευρωπαϊκού Νότιου Παρατηρητήριου. Τα πρώτα αποτελέσματα από το VLT (σύνολο 4 τηλεσκοπίων με διάμετρο 8 μέτρα το καθένα) στη Χιλή, φθάνουν ήδη και σύντομα θα είμαστε σε θέση να πούμε αν επιβεβαιώνονται τα συμπεράσματα της ομάδας του John Webb. 

Και άλλες ομάδες ανά τον Κόσμο βρίσκονται στο κυνήγι της ανίχνευσης της μεταβολής του α.  Όπως η ομάδα υπό τον John Bahcall στο Ινστιτούτο προχωρημένων σπουδών του Princeton. 

Αν τα νέα δεδομένα δεν πιστοποιήσουν τα παραπάνω ήδη ευρεθέντα αποτελέσματα, τα συνδυασμένα δεδομένα από το Keck 1 και το VLT, θα εξακολουθήσουν να θέτουν τους πιο αυστηρούς περιορισμούς στη μορφή που πρέπει να έχουν οι νέες ενοποιημένες θεωρίες της φυσικής. Αν πάλι τα νέα δεδομένα  υποστηρίξουν μια μεταβολή του α, θα πρέπει προοδευτικά να ξαναγραφτούν σημαντικά μέρη της σύγχρονης φυσικής.