Πόσο σταθερό είναι το μεταβλητό Σύμπαν μας;

Οι σταθερές ποσότητες ελέγχουν τον τρόπο που  συμπεριφέρεται το Σύμπαν μας. Τις θεωρούμε σταθερές και αμετάβλητες ποσότητες. Εντούτοις, πώς μπορεί να είμαστε σίγουροι ότι η σταθερά μένει πραγματικά σταθερά; Οι σύγχρονες θεωρίες απαιτούν οι τιμές των καθολικών σταθερών να αλλάζουν αργά κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας. Είναι όμως πράγματι έτσι; Η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA) προετοιμάζεται να ψάξει για τις μικρές αλλαγές στις 'σταθερές της φύσης'.

Οι δυνάμεις της φύσης αλληλεπιδρούν για να κάνουν το Σύμπαν έτσι όπως είναι. Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις: η βαρύτητα, η οποία μας κρατά στη Γη και αναγκάζει τα ουράνια αντικείμενα να κινούνται σε τροχιές, ο ηλεκτρομαγνητισμός, που μας δίνει την ηλεκτρική ενέργεια και το μαγνητισμό και τελικά οι ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις, οι οποίες κυβερνούν τη συμπεριφορά των ατομικών πυρήνων. Κάθε μία από αυτές τις δυνάμεις έχει  μια διαφορετική ισχύ, που κωδικοποιείται από τις σταθερές της φύσης.

Οι ειδικοί ονομάζουν τη σταθερά της βαρύτητας "Μεγάλο G", ενώ η σταθερά της λεπτοδομής α κυβερνά την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Τα νέα στοιχεία δείχνουν ότι και οι δύο σταθερές έχουν αλλάξει λίγο κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας. Ο δορυφόρος της ESA Gaia, που θα χαρτογραφήσει τα άστρα, θα θέσει όρια στη μεταβολή του Μεγάλου G. Ομοίως, η αποστολή Planck της ESA θα εξετάσει τη σταθερά λεπτοδομής α εξετάζοντας μικρές μεταβολές στο πρώτο -πρώτο φως που εκπέμφθηκε στο Σύμπαν. Ένας από αυτούς που ασχολούνται με το θέμα αυτό είναι και ο αστροφυσικός Carlos Martins που αναλύει τις εικόνες αυτού του πρώτου -πρώτου φωτός - γνωστού στους αστρονόμους ως Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων - για να θέσει τα όρια στη μεταβολή της σταθεράς λεπτοδομής α.

Μέχρι σήμερα ξέρουμε από τα στοιχεία του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων ότι υπάρχει μια μεταβολή λιγότερη από 4%. Τα στοιχεία που μας έδωσε το διαστημικό σκάφος WMAP της NASA ήταν πράγματι πιο εντυπωσιακά από τα προηγούμενα συμπεράσματα. Αλλά δεν μας έδωσε οριστικές απαντήσεις για τη σταθερά α. Μόνο η αποστολή Planck της ESA θα δώσει αυτό που θέλουμε. Ο δορυφόρος Planck έχει τέτοια ευαισθησία που θα ανιχνεύσει μεταβολές πολύ μικρές, της τάξης της 0,1% της σημερινής τιμής της σταθεράς. Όταν συνδυάσουμε και τα άλλα σύνολα στοιχείων (που τα παίρνουμε από άλλα τηλεσκόπια και αποστολές), θα είμαστε σε θέση να το βελτιώσουμε ακόμα περισσότερο.

Γιατί όμως αυτή η μεταβολή είναι τόσο σημαντική; Οι επιστήμονες θεωρούν ότι μπορούν να αντικαταστήσουν τις τέσσερις δυνάμεις από μόνο μία - αλλά τόσο αόριστη - ενοποιημένη μαθηματική περιγραφή. Και οι τρέχουσες ενοποιημένες θεωρίες έχουν ανάγκη σταθερών που όμως να μεταβάλλονται με τον χρόνο.

Αυτές οι θεωρίες, γνωστές ως θεωρία χορδών ή θεωρία-Μ, προτείνουν ότι το Σύμπαν περιέχει περισσότερες από τις γνωστές τρεις διαστάσεις. Καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται, η πρόσθετες διαστάσεις αλλάζουν ελαφρώς και η αντίληψη μας για καθολικές 'σταθερές' αλλάζει, κάνοντας τις να εμφανίζονται ότι αλλάζουν.

"Η έρευνα για τη μεταβολή των θεμελιωδών σταθερών είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να κριθούν τα μοντέλα που χρησιμοποιούν τις πρόσθετες διαστάσεις", εξηγεί ο Martins. Η διαστημική αποστολή του Planck είναι η τελευταία δοκιμή των διάφορων θεωριών των χορδών. Επειδή ο δορυφόρος Planck θα είναι πολύ ευαίσθητος σε οποιαδήποτε αλλαγή της σταθεράς της λεπτοδομής, αν δεν βρει καμία μεταβολή, τότε όλες αυτές οι θεωρίες που προτείνουν ένα Σύμπαν με πρόσθετες διαστάσεις θα έχουν πρόβλημα.

Σταθερά λεπτής υφής

Η σταθερά λεπτής υφής α αριθμητικά ισούται με α=(1/4πε₀)e²/hc=1/137.036 και οι περισσότεροι φυσικοί παραξενεύονται με αυτήν, γιατί τρεις άλλες σταθερές της φύσης συνδυάζονται για να την δώσουν ενώ συγχρόνως αυτή είναι αδιάστατη. Σήμερα γνωρίζουμε ότι αυτή η σταθερά είναι "μια σταθερά συζεύξεως" που μετρά την ισχύ της αλληλεπιδράσεως μεταξύ ενός φορτισμένου ηλεκτρικά σωματιδίου και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.