Μια σταθερά που δεν είναι σταθερά
(Η ταχύτητα του φωτός ίσως μειώνεται)

Από σελίδα του Physical Review Letters 9 Αυγούστου 2001

Προοπτική στο παρελθόν. Τα φάσματα των κβάζαρ που καταγράφονται στο παρατηρητήριο Keck στη Χαβάη, υπονοούν ότι μια θεμελιώδης φυσική σταθερά μπορεί ελαφρώς να μειώνεται κατά τη διάρκεια των προηγούμενων έξι δισεκατομμυρίων ετών.

Η ανάλυση του φωτός από τα απόμακρα κβάζαρ έχει δείξει ότι δισεκατομμύρια έτη πριν οι νόμοι της φυσικής μπορεί να ήταν ελαφρώς διαφορετικοί. Μια ερευνητική ομάδα έχει βρεί στοιχεία ότι η σταθερά λεπτής υφής-- που μετρά τη δύναμη με την οποία τα υποατομικά σωματίδια αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο και με το φως -- ήταν διαφορετική στις αρχές του χρόνου της ιστορίας του Σύμπαντος. Σαν επακόλουθο συμπέρασμα των ερευνών θεωρείται ότι η μέγιστη ταχύτητα στο Σύμπαν, εκείνη του φωτός ίσως μειώνεται διαρκώς καθώς το σύμπαν ενηλικιώνεται, υποστηρίζει -αλλά με επιφυλάξεις- μια διεθνής ομάδα ερευνητών. Η ανακάλυψή τους ίσως ανατρέψει την αντίληψη ότι οι φυσικοί νόμοι είναι σταθεροί στο χρόνο, αλλά παράλληλα ίσως τροφοδοτήσει νεότερες θεωρίες, όπως τη θεωρία των υπερχορδών.

Η νέα εργασία, η οποία θα εμφανιστεί στις 27 Αυγούστου 2001 στο PRL, επιβεβαιώνει τα προηγούμενα αποτελέσματα από εργασία της ίδιας ομάδα, η οποία πρότεινε ότι έξι δισεκατομμύρια έτη πριν η τιμή της σταθεράς λεπτής υφής ήταν μικρότερη περίπου ένα μέρος προς 10⁵ . Τώρα όμως οι ίδιοι επιστήμονες έχουν προσθέσει περισσότερα στοιχεία και έχουν αποκλείσει τις πιθανότερες πηγές συστηματικού λάθους. Εάν επιβεβαιωθεί από άλλα πειράματα, το εύρημα θα μπορούσε να αλλάξει βαθιά την κατανόησή μας για την εξέλιξη του κόσμου, αλλά δεν είναι  πεπεισμένοι όλοι οι εμπειρογνώμονες για το αποτέλεσμα.

Από τη δεκαετία του '30 οι φυσικοί έχουν συζητήσει εάν οι σταθερές που εμφανίζονται στις εξισώσεις για τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής -- όπως η ταχύτητα του φωτός στο κενό και το ηλεκτρικό φορτίο των ηλεκτρονίων -- είναι πραγματικά σταθερές. Εάν αυτές έχουν αλλάξει κατά τη διάρκεια του χρόνου, η φύση μπορεί να έχει λειτουργήσει με διαφορετικούς τρόπους σε διαφορετικούς χρόνους, ακόμα κι αν οι εξισώσεις οι ίδιες έχουν παραμείνει σταθερές. Οι σύγχρονες θεωρίες που προσπαθούν να ενοποιήσουν τη βαρύτητα με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις αφήνουν περιθώρια για μια τέτοια χρονική εξάρτηση. Αλλά δεν είναι εύκολο να ψαχτεί αυτή η επίδραση. Εάν η ταχύτητα του φωτός μειωνόταν αργά, παραδείγματος χάριν, εμείς μπορεί να μην το ξέρουμε ποτέ, επειδή οι μετρητικές συσκευές μας μπορεί να συστέλλονται συγχρόνως.

Ματρήσεις της σταθεράς α

Ο John Webb, του Πανεπιστημίου της Νότιας Νέας Ουαλίας στην Αυστραλία, και οι συνάδελφοί του, που εστιάζουν την προσοχή τους στη σταθερά λεπτής υφής, η οποία γράφεται με το ελληνικό γράμμα άλφα, παραξενεύονται επειδή δεν έχει καμία μονάδα και είναι ανεξάρτητη από οποιοδήποτε σύστημα μέτρησης. Η τρέχουσα αξία της κατά προσέγγιση είναι 1/137 δεν θα μπορούσε να είναι πολύ διαφορετική στο παρελθόν, γιατί θα υπήρχε πρόβλημα για την ίδια την ύπαρξή μας. Μια παραλλαγή στην σταθερά άλφα περισσότερο από ένα παράγοντα δέκα θα υπονοούσε ότι τα άτομα του άνθρακα δεν θα μπορούσαν να είναι σταθερά, και δεν θα μπορούσε να προκύψει  η οργανική ζωή.

Νέφη αερίου μεταξύ της Γης και των κβάζαρ απορροφούν μερικώς αυτό το φως και παράγουν τις φασματικές γραμμές. Η διαφορά μεταξύ των μηκών κύματος που απορροφώνται από οποιαδήποτε δύο στοιχεία, εξαρτάται κατά ακριβή τρόπο από την αξία της σταθεράς λεπτής υφής α. Οι ερευνητές μέτρησαν ακριβώς τα απορροφούμενα μήκη κύματος διάφορων ατόμων μετάλλων στα νέφη που φαίνονται σε διαφορετικούς κοσμικούς χρόνους χρησιμοποιώντας το φασματογράφο ακρίβειας HIRES στο τηλεσκόπιο Keck των 10 μέτρων στη Χαβάη.

Σε ένα έγγραφο τους (paper) του 1999  η ομάδα μελέτησε μόνο το σίδηρο και το μαγνήσιο, αλλά τώρα επίσης έχουν εξετάσει τις γραμμές απορρόφησης από το πυρίτιο και άλλα μέταλλα, που αυξάνουν περαιτέρω την ευαισθησία τους και που μειώνουν τους φραγμούς των λάθους τους. Ανέλυσαν επίσης 13 πιθανές πηγές συστηματικού λάθους και διαπίστωσαν ότι κανένας δεν θα μπορούσε να εξηγήσει το κύριο αποτέλεσμά τους: Η σταθερά Άλφα α αυξάνεται.

Με βάση τις μετρήσεις αυτές, υπολόγισαν τη σταθερά λεπτής υφής, ένα φυσικό μέγεθος που εξαρτάται από την ταχύτητα του φωτός, το φορτίο του ηλεκτρονίου και τη σταθερά του Πλανκ (που χρησιμοποιείται σε ενεργειακούς υπολογισμούς). Διαπίστωσαν έτσι ότι η σταθερά -που αντιστοιχεί περίπου στην εποχή δημιουργίας του σύμπαντος- ήταν ελαφρώς μικρότερη από ό,τι στη Γη.

"Δεν ξέρουμε τι είναι αυτό που έχει αλλάξει· δεν γνωρίζουμε αν είναι η ταχύτητα του φωτός, το φορτίο του ηλεκτρονίου ή η σταθερά του Πλανκ. Υπάρχουν όμως θεωρητικοί λόγοι για τους οποίους προτιμάται η αλλαγή στην ταχύτητα του φωτός» αναφέρει ο Webb.

"Θα ήταν εξαιρετικά ενδιαφέρον εάν ήταν αληθινό, αλλά οφείλεται να υπάρχει κάποια προσοχή," λέει ο Lennox Cowie του Πανεπιστημίου της Χαβάης. Αν και η μέθοδος είναι "πολύ ευαίσθητη,"   λέει ο Cowie, υπάρχουν ακόμα μερικές πιθανές πηγές λάθους που πρέπει να εξεταστούν. Παραδείγματος χάριν, τα διάφορα ατομικά είδη που μελετώνται μπορεί να έχουν διαφορετικές σχετικές ταχύτητες, οι οποίες θα μπορούσαν να μιμηθούν την τάση που προκαλείται με μια παραλλαγή στη σταθερά άλφα.

Αλλά το μέλος της ομάδας Chris Churchill του κρατικού Πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας παραμένει βέβαιος ότι αυτός και οι συνάδελφοί του είναι πραγματικά σε καλό δρόμο. Αναφέρει τα νέα, ακόμα αδημοσίευτα στοιχεία που μειώνουν τους φραγμούς του λάθους ακόμη περισσότερο, αν και αυτός κοιτάζει προς το μέλλον για να δεί κι άλλους ερευνητές να επαναλάβουν τις μετρήσεις σε άλλα τηλεσκόπια.

Η μεταβλητότητα της σταθεράς λεπτής υφής έρχεται σε αντίθεση με το ισχύον μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, αλλά ίσως εξηγείται από νέες θεωρίες που στοχεύουν στην ενοποίηση των δυνάμεων της φύσης, αναφέρει στο New Scientist o Brian Greene, ένας φυσικός στο Columbia University στη New York.

Η ανακάλυψη, αν βέβαια είναι σωστή, αναμένεται να δώσει νέα ώθηση στη θεωρία των υπερχορδών, σύμφωνα με την οποία στο σύμπαν δεν υπάρχουν μόνο τέσσερις διαστάσεις (τρεις για το χώρο και μία για το χρόνο), αλλά πολύ περισσότερες (από 10 έως και 26), που εμφανίζονται μόνο σε υποατομική κλίμακα και μέχρι στιγμής δεν είναι δυνατόν να εντοπιστούν.

Η θεωρία των υπερχορδών ίσως εξηγεί τις νέες παρατηρήσεις, ως μεταβολή των φυσικών νόμων εξαιτίας αλλαγών στις διαστάσεις αυτές με τη συνεχιζόμενη διαστολή του σύμπαντος.

Ο Dr. Webb ωστόσο συνιστά στους συναδέλφους του να περιμένουν τα αποτελέσματα νέων ερευνών προτού αξιοποιήσουν τα αποτελέσματα της ομάδας του σε νέες θεωρίες.

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 τρείς άλλες σταθερές της φύσης συνδυάζονται για να την δώσουν ενώ αυτή είναι αδιάστατη. Σήμερα γνωρίζουμε ότι αυτή η σταθερά είναι "μιά σταθερά συζεύξεως" που μετρά την ισχύ της αλληλεπιδράσεως μεταξύ ενός φορτισμένου ηλεκτρικά σωματιδίου και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
Στα φάσματα πολλών ατόμων, αυτό που χονδρικά φαίνεται να είναι μια γραμμή, όταν το παρατηρήσουμε πιό προσεχτικά αποδεικνύεται ότι είναι δύο ή περισσότερες γραμμές που βρίσκονται η μία πολύ κοντά στην άλλη. Ο λόγος της αποστάσεως μεταξύ των γραμμών λεπτής υφής προς την απόσταση μεταξύ των γραμμών του χονδρικού φάσματος, είναι ανάλογος με το τετράγωνο της σταθεράς α.   Σήμερα πιστεύουμε ότι κρύβει ακόμη κάποιες άγνωστες πληροφορίες.