Το αρχικό Σύμπαν

Μπορούμε επίσης να ερευνήσουμε για μεταβολές του α σε ακόμη πιο αρχικές στιγμές στην ιστορία του Σύμπαντος. Αν αλλάξουμε το α αλλάζει και η θερμοκρασία στην οποία τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια συνδέονται κατά το πρώιμο Σύμπαν για να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα υδρογόνου. Αυτή ακριβώς είναι η διαδικασία που ορίζει το σχηματισμό της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου περίπου 380.000 χρόνια μετά το Big Bang. Μια μεταβολή του α θα άλλαζε τον χρόνο στον οποίο συνέβη η σύνδεση πρωτονίων και ηλεκτρονίων, και κάτι τέτοιο θα ανιχνευόταν από μετρήσεις του κοσμικού υποβάθρου με δορυφόρους. 

Ο σχηματισμός των ελαφρών στοιχείων όπως το ήλιο, το δευτέριο και το λίθιο στα πρώτα λίγα λεπτά μετά το Big Bang θα επηρεαζόταν επίσης αν το α άλλαζε με τον χρόνο. Οι εξισώσεις που προσδιορίζουν τον ρυθμό με τον οποίο σχηματίζονται τα ελαφρά στοιχεία, τροποποιούνται κατά διαφορετικούς τρόπους αν το α μεταβάλλεται με τον χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι ακριβείς μετρήσεις των σχετικών ποσοτήτων αυτών των στοιχείων, θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για να επιβάλλει περιορισμούς στις πιθανές μεταβολές του α καθ' όλη σχεδόν την ιστορία του Σύμπαντος, από τα πρώτα λεπτά μετά το Big Bang, μέχρι σήμερα. 

Και οι δύο αυτές μέθοδοι δεν είναι ακόμη πολύ ακριβείς. Παρόλα αυτά μας δίνουν σημαντικούς συμπληρωματικούς περιορισμούς για κάθε μεταβολή του α, και δείχνουν ότι δεν μπορεί να έχει μεταβληθεί περισσότερο από 10% σε κάθε περίπτωση. 

Τι σημαίνουν όλα αυτά;

Θα πρέπει να επισημανθεί ότι η παρούσα κατάσταση όλων αυτών των πειραμάτων δείχνει μια συνέπεια μεταξύ τους. Για παράδειγμα τα γεωλογικά αποτελέσματα δεν έρχονται σε αντίθεση με τα ευρήματα από τα κβάζαρ ή με τα αποτελέσματα από τα ατομικά ρολόγια διότι αυτές οι κατηγορίες μετρήσεων απεικονίζουν τελείως διαφορετικές μεταξύ τους εποχές του Σύμπαντος. Είναι πιθανόν ότι η τιμή του α μεταβαλλόταν σχετικά γρήγορα (κατά 1 μέρος στα 10⁵) κατά τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, ενώ η κλασματική μεταβολή ήταν 100 φορές μικρότερη από την εποχή του αντιδραστήρα του Oklo, περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Δεν μπορούμε να επαναλάβουμε το πείραμα του Oklo, αλλά τα αποτελέσματα από τις παρατηρήσεις των κβάζαρ και από τα πειράματα με ατομικά ρολόγια θα γίνουν στα προσεχή λίγα χρόνια όλο και πιο ακριβή. 

Η διαπίστωση ότι το α μεταβάλλεται, θα είχε βαθιές συνέπειες για τη φυσική. Για παράδειγμα, η αρχή της ισοδυναμίας, ένας από τους θεμέλιους λίθους της Σχετικότητας, λέει ότι σε συστήματα αναφοράς που εκτελούν ελεύθερη πτώση, τα συμπεράσματα για οποιοδήποτε πείραμα δεν εμπλέκει την βαρύτητα, είναι ανεξάρτητα από το πότε και πού εκτελέστηκε το πείραμα. 

Μεταβολές στην τιμή του α θα συνιστούσαν παραβίαση της αρχής της ισοδυναμίας. Αυτά όμως δεν θα είναι κατ' ανάγκην και άσχημα νέα, διότι πολλές από τις θεωρίες που επιζητούν να ενοποιήσουν τις 4 θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, παραβιάζουν επίσης την αρχή της ισοδυναμίας. Οι θεωρίες που προβλέπουν μεταβλητή ταχύτητα του φωτός, προτάθηκαν πρώτα από τον John Moffat του πανεπιστημίου του Τορόντο, εξελίχθηκαν τα τελευταία χρόνια από τον João Magueijo του Imperial College, τον John Barrow και άλλους ως εναλλακτική λύση αντί για τα πληθωριστικά μοντέλα της κοσμολογίας. Αυτές οι θεωρίες θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις μεταβολές στην τιμή του α κατά τα αρχικά στάδια του Σύμπαντος. Οι πληθωριστικές θεωρίες και οι θεωρίες που προβλέπουν μεταβλητή ταχύτητα του φωτός, είναι προσπάθειες να εξηγήσουμε διάφορα χαρακτηριστικά του Σύμπαντος όπως είναι η εμφανής επίπεδη γεωμετρία του, που δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν με το Big Bang από μόνο του. 

Αν τα αποτελέσματα με τα κβάζαρ επιβεβαιωθούν τελικά, οι ιδέες μας για το χώρο και το χρόνο είναι σίγουρο ότι θα υποστούν ριζικές αλλαγές. Ποιος ξέρει πως όλη αυτή η ιστορία θ' αλλάξει τη θεμελιώδη κατανόησή μας για το Σύμπαν;

Οι φυσικές σταθερές με η χωρίς διαστάσεις

Στη φύση εμφανίζονται διάφορες σταθερές. Μερικές από αυτές όπως είναι η σταθερά λεπτής υφής είναι αδιάστατες, δεν εκφράζονται δηλαδή με κάποιες μονάδες μέτρησης. άλλες όμως, όπως είναι η ταχύτητα του φωτός ή η μάζα του πρωτονίου έχουν διαστάσεις και η τιμή τους εξαρτάται από τις μονάδες που χρησιμοποιούμε για τη μέτρησή τους. Οι νόμοι της φύσης δεν πρέπει φυσικά να εξαρτώνται από το σύστημα μονάδων, που άλλωστε είναι ανθρώπινο κατασκεύασμα. 

Για να το θέσουμε με άλλο τρόπο, αν θέλουμε να μετρήσουμε μια σταθερά με διαστάσεις, χρειαζόμαστε "ένα μέτρο" για να εκτελέσουμε τη μέτρηση. Αλλά αν π.χ. βρίσκαμε μια τιμή όταν μετρούσαμε την ταχύτητα του φωτός την Δευτέρα, και μια διαφορετική τιμή αν τη μετρούσαμε την Παρασκευή, πως θα ξέραμε αν η μεταβολή οφείλεται στο ίδιο το φυσικό μέγεθος ή στο "μέτρο" που χρησιμοποιήσαμε; Απλά δεν μπορούμε να το ξέρουμε. Επιπλέον αν επρόκειτο να ερμηνεύσουμε τις παρατηρήσεις μας σαν μεταβολή στο μήκος του μέτρου μας, πως θα την πιστοποιούσαμε αυτήν χωρίς ν' αναφερθούμε σε ένα δεύτερο μέτρο; Και πάλι δεν θα μπορούσαμε, και ούτω καθ' εξής. 

Οι αδιάστατες σταθερές όμως είναι θεμελιώδεις απόλυτοι αριθμοί, μετρημένοι χωρίς αναφορά σε κάτι άλλο. Συνεπώς αν θέλουμε να διερευνήσουμε αν οι νόμοι της φύσης μεταβάλλονται, πρέπει να μετρήσουμε αδιάστατες ποσότητες, όπως η σταθερά λεπτής υφής ή η αναλογία μαζών ηλεκτρονίου και πρωτονίου. 

Ερευνώντας για μεταβολές στη σταθερά λεπτής υφής με τη χρήση ατομικών ρολογιών. 

Ρολόι Κεσίου

Ο John Harrison δεν θα πίστευε την ακρίβεια των τελευταίων ατομικών ρολογιών. Παρά την ιδιοφυΐα του ως μηχανικού, ένα ρολόι φτιαγμένο από άτομα μάλλον παρά από τροχούς και ελατήρια, σίγουρα θα τον ξάφνιαζε. Το ρολόι με το οποίο ο Harrison κέρδισε το βραβείο των £20,000 που προσέφερε η εταιρία Longitude το 1714, είχε ακρίβεια 39 δευτερόλεπτα σε 47 μέρες, ή 1 προς 10⁵. Τα τελευταία όμως ατομικά ρολόγια χάνουν μόλις 1 δευτερόλεπτο κάθε 50 εκατομμύρια χρόνια, ή 1 προς 10¹⁵.Το επίπεδο αυτό ακρίβειας μας δίνει τη δυνατότητα να ερευνήσουμε για μεταβολές της σταθεράς λεπτής υφής σε κλίμακες χρόνου ολοκλήρων ετών. 

Τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια κατασκευάζονται σήμερα από "ατομικά σιντριβάνια". Ένα αέριο από άτομα, εντός ενός θαλάμου κενού, παγιδεύεται με ένα σύνολο δεσμών λέιζερ που τέμνονται σε κάποια μικρή περιοχή του χώρου, και ψύχεται σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν. Η μπαλίτσα αυτή από άτομα ρίχνεται τότε προς τα επάνω, με κατάλληλη αλλαγή της συχνότητας των λέιζερ και περνάει μέσα από μια κοιλότητα μικροκυμάτων κατά τη διαδρομή του προς τα επάνω και στη συνέχεια κατά το κατέβασμά του υπό την επίδραση της βαρύτητας. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς. 

Μια άλλη δέσμη λέιζερ χρησιμοποιείται για να κάνει τα άτομα να φθορίζουν και η ποσότητα του φθορισμού καταγράφεται ως συνάρτηση της συχνότητας των μικροκυμάτων και μας δίνει μια καμπύλη συντονισμού. Μια μέτρηση του χρόνου πολύ υψηλής ακρίβειας μπορεί να γίνει μετρώντας τη συχνότητα της κορυφής στην καμπύλη συντονισμού. 

Αποδεικνύεται ότι το πλάτος της καμπύλης συντονισμού είναι αντιστρόφως ανάλογο προς τον χρόνο που χρειάζονται τα άτομα για να περάσουν μέσα από την κοιλότητα μικροκυμάτων. ¨ετσι η καμπύλη γίνεται πιο στενή όσο τα άτομα δαπανούν πιο πολύ χρόνο μέσα σ' αυτήν. Αυτό επιτρέπει τον προσδιορισμό της θέσης της κορυφής με μεγαλύτερη ακρίβεια, πράγμα που σημαίνει ότι το ρολόι γίνεται πιο ακριβές. Αυτός είναι ο λόγος που οι φυσικοί σπεύδουν να τοποθετήσουν ένα ατομικό συντριβάνι στο διάστημα. Οι συνθήκες της μικροβαρύτητας στο διάστημα θα επιμηκύνουν το χρόνο παραμονής των ατόμων στην κοιλότητα μικροκυμάτων κατά ένα παράγοντα 10, και αυτό θα έχει ως συνέπεια μια αύξηση στην ακρίβεια του ρολογιού. 

Αλλά τι έχει να κάνει αυτό με τη σταθερά λεπτής υφής; Δεν θα ακουστεί εκπληκτικό αν πούμε ότι η συχνότητα συντονισμού στηρίζεται στο α. Επιπλέον, αν η σταθερά α αλλάζει με τον χρόνο, τότε ρολόγια φτιαγμένα από διαφορετικά στοιχεία θα "χτυπάνε" με ελαφρά διαφορετικούς ρυθμούς. Συνεπώς συγκρίνοντας τη σταθερότητα δύο ρολογιών φτιαγμένων από διαφορετικά στοιχεία θα ήταν δυνατόν να θέσουμε ένα άνω όριο σε οποιαδήποτε μεταβολή του α με τον χρόνο. Αντίθετα με τα αποτελέσματα των κβάζαρ και του Oklo, πειράματα με ατομικά ρολόγια ελέγχουν την σταθερότητα του α όπως εμφανίζεται σήμερα και όχι πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.  

Ένα πρόσφατο πείραμα από τον Harold Marion και τους συνεργάτες του στο Observatoire de Paris και στην Ecole Normale Supérieure (ENS) συνέκρινε τους ρυθμούς των ρολογιών με σιντριβάνια κεσίου και ρουβιδίου για μια περίοδο πέντε ετών. Αν το α αλλάζει, ο ρυθμός της αλλαγής  1/α (dα/dt), πρέπει να είναι λιγότερο από -0.4 ± 16 x 10^-16ανά έτος. Η τιμή αυτή δεν έρχεται σε αντίθεση με τα αποτελέσματα του Oklo και των κβάζαρ. 

Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή Διαστήματος σχεδιάζει να δρομολογήσει ένα διαστημικό πείραμα με ατομικό ρολόι,το (ACES), στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Μαζί με διάφορα τεστ για τη Γενική Σχετικότητα, το ACES θα είναι 100 φορές πιο ευαίσθητο στις μεταβολές του α, απ' ότι τα διάφορα επίγεια πειράματα. Το ACES θα συνδυάζει δύο ατομικά ρολόγια, ένα ρολόι κεσίου με το όνομα PHARAO, σχεδιασμένο από μια ομάδα υπό τον Alain Jornod του Observatoire Cantonal de Neuchâtel στην Ελβετία. 

Τι θα μπορούσε να προκαλέσει μια εσφαλμένη εκτίμηση των δεδομένων;

Η ομάδα του John Webb έχει απασχοληθεί αρκετά προσπαθώντας να εξετάσει το ζήτημα αυτό και να βεβαιωθεί ότι τα αποτελέσματα που πήραν οφείλονται σε κάποια μεταβολή του α και όχι σε κάτι άλλο. Έγραψαν μάλιστα και μια εργασία συνοψίζοντας όλες τις πιθανές πηγές σφάλματος και εκτιμώντας τις ποσοτικά μία προς μία.  Μετά από μια εξονυχιστική μελέτη, κατέληξαν ότι δύο μόνο πειραματικά φαινόμενα θα μπορούσαν να επηρεάσουν τα αποτελέσματα. 

Το ένα αφορά τη σκέδαση του φωτός του κβάζαρ καθώς περνά μέσα από την γήινη ατμόσφαιρα. Το φως των διαφόρων περιοχών του φάσματος σκεδάζεται κατά διαφορετικό τρόπο από ένα μέσο, επειδή ο δείκτης διάθλασης ενός μέσου εξαρτάται από την συχνότητα. Μια ποσοτική μελέτη του θέματος αυτού δείχνει ότι η αιτία αυτή δεν μπορεί να εξηγήσει τα ευρεθέντα αποτελέσματα. 

Ένα δεύτερο και πιο εκλεπτυσμένο φαινόμενο αφορά τις σχετικές ποσότητες των διαφορετικών ισοτόπων των ιδίων στοιχείων στο φάσμα του κβάζαρ και στο φάσμα του εργαστηρίου. Τα επίγεια δείγματα του μαγνησίου για παράδειγμα, περιέχουν 79% μαγνήσιο-24, 10% μαγνήσιο-25 και 11% μαγνήσιο-26. Τι θα συνέβαινε αν τα νέφη αερίων γύρω από το γαλαξία περιέχουν διαφορετικά ποσοστά των ισοτόπων μαγνησίου; Η ομάδα του John Webb διατείνεται ξανά ότι η διεξοδικοί υπολογισμοί δείχνουν και πάλι ότι η αιτία αυτή δεν μπορεί να εξηγήσει τα παρατηρηθέντα αποτελέσματα. Πράγματι αν ληφθούν υπόψιν τέτοια φαινόμενα αθροιστικά σε όλο το δείγμα από το κβάζαρ, τα αποτελέσματα μοιάζουν να ενισχύουν ακόμη περισσότερο την άποψη της μεταβολής του α.