Η ταχύτητα του φωτός μπορεί να έχει αλλάξει πρόσφατα

Από το New Scientist, Ιούλιος 2004

Η ταχύτητα του φωτός, μία από τις πιο ιερές φυσικές σταθερές του σύμπαντος, μπορεί να ήταν μικρότερη, μόλις, δύο δισεκατομμύρια χρόνια πριν - και όχι σε κάποια μακρινή γωνία του Κόσμου, αλλά εδώ πάνω στη Γη.

Η αμφισβητούμενη ανακάλυψη ανάβει την, ήδη, παλιά συζήτηση για την σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός, για τον ειδικό λόγο ότι βασίζεται στην εκ νέου ανάλυση παλαιών δεδομένων, που όμως είχαν χρησιμοποιηθεί εδώ και καιρό για να υποστηρίξουν ακριβώς την αντίθετη άποψη: την σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός αλλά και άλλων σταθερών.

Μια μεταβλητή ταχύτητα του φωτός έρχεται σε αντίθεση με τη θεωρία της σχετικότητας του Einstein, και θα υπονόμευε ένα μεγάλο μέρος της παραδοσιακής φυσικής. Αλλά μερικοί φυσικοί θεωρούν ότι θα εξηγούσε πιο κομψά αινιγματικά κοσμολογικά φαινόμενα, όπως η σχεδόν ομοιόμορφη θερμοκρασία του σύμπαντος. Επίσης μπορεί να υποστηρίξει τις θεωρίες χορδών που προβλέπουν πρόσθετες χωρικές διαστάσεις.

Η απειλή στην ιδέα μιας αμετάβλητης ταχύτητας του φωτός προέρχεται από τις μετρήσεις μιας άλλης παραμέτρου, της σταθεράς λεπτοδομής άλφα, η οποία δίνει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Η ταχύτητα του φωτός είναι αντιστρόφως ανάλογη προς την σταθερά άλφα, αλλά αν και η άλφα, επίσης,  εξαρτάται από δύο άλλες σταθερές, πολλοί φυσικοί τείνουν να ερμηνεύσουν μια αλλαγή στην άλφα ως αλλαγή στην ταχύτητα του φωτός. Είναι μια έγκυρη απλοποίηση, λέει ο Victor Flambaum του Πανεπιστημίου της Νότιας Νέας Ουαλίας στο Σύδνεϋ.

Ο Flambaum, μαζί με τον John Webb και με άλλους συνάδελφους τους, ήταν οι πρώτοι -  το 1998 - που δέχτηκαν ότι η σταθερά άλφα μπορεί να μην είναι σταθερά. Κατόπιν, μετά από εξαντλητικές αναλύσεις  του φωτός από απόμακρα κβάζαρ που απορροφήθηκε από ενδιάμεσα νέφη αερίων, υποστήριξαν το 2001 ότι η σταθερά άλφα είχε αυξηθεί κατά λίγα μέρη προς 10⁵ , στα προηγούμενα 12 δισεκατομμύρια χρόνια.

Φυσικός πυρηνικός αντιδραστήρας

Αλλά τότε ένας γερμανός ερευνητής - ο Theodor Hänsch - μελετώντας τα φωτόνιο που εκπέμπονταν από άτομα του καίσιου και του υδρογόνου, ανέφερε αρχές του Ιουνίου 2004,  ότι αυτός δεν είδε καμιά αλλαγή της άλφα, με ακρίβεια 1 προς 10¹⁵ στην περίοδο από το 1999 έως το 2003, αν και το αποτέλεσμα δεν  επιβεβαίωνε ότι η άλφα δεν είχε αλλάξει πριν δισεκατομμύρια χρόνια.

Σε όλο το διάλογο, οι φυσικοί που μίλησαν εναντίον της οποιασδήποτε αλλαγής στην άλφα, είχαν ένα σύνολο αποδεικτικών στοιχείων για να το επιβεβαιώσουν. Προέρχεται από τον μόνο γνωστό φυσικό πυρηνικό αντιδραστήρα στη Γη, που βρίσκεται στην περιοχή Oklo στην Γκαμπόν της Δυτικής Αφρικής.

Ο φυσικός αντιδραστήρας του Oklo άρχισε να λειτουργεί, σχεδόν, δύο δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν τα υπόγεια νερά φιλτραρίστηκαν από τις ρωγμές στους βράχους ενώ είχαν αναμιχτεί με μετάλλευμα ουρανίου, προκαλώντας έτσι μια πυρηνική διάσπαση για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια. Διάφορες μελέτες που έχουν αναλύσει τις σχετικές συγκεντρώσεις των ραδιενεργών ισοτόπων, που έμειναν από την περιοχή Oklo, έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι οι πυρηνικές αντιδράσεις τότε ήταν σχεδόν οι ίδιες όπως είναι και σήμερα, κάτι που υπονοεί ότι η σταθερά άλφα ήταν επίσης ίδια.

Κι αυτό επειδή η άλφα άμεσα επηρεάζει την αναλογία αυτών των ισοτόπων. Σε μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, όπως αυτή που εμφανίστηκε στην Oklo, η διάσπαση κάθε πυρήνα ουρανίου-235 παράγει νετρόνια, και οι γειτονικοί πυρήνες μπορούν να συλλάβουν αυτά τα νετρόνια.

Παραδείγματος χάριν, το σαμάριο-149 (Sm) συλλαμβάνει ένα νετρόνιο και γίνεται σαμάριο-150, και δεδομένου ότι ο ρυθμός νετρονίων που συλλαμβάνει εξαρτάται από την τιμή της άλφα, η αναλογία των δύο ισοτόπων σαμαρίου στα δείγματα που συλλέχθηκαν στην Oklo μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί η άλφα.

Από διάφορες μελέτες που έγιναν στην Oklo δεν έχουν βρεθεί αποδείξεις για καμία αλλαγή στην άλφα από το παρελθόν ως σήμερα. "Οι άνθρωποι άρχισαν να αναφέρουν τα στοιχεία του αντιδραστήρα ως αποδεικτικά στοιχεία ότι οι σταθερές δεν είχαν αλλάξει", λέει ο Steve Lamoreaux του Εθνικού Εργαστηρίου Los Alamos (LANL) στο Los Alamos του Νέου Μεξικού.

Ενεργειακό φάσμα

Τώρα, ο Lamoreaux, μαζί με τον συνάδελφο του Justin Torgerson του LANL, έχει αναλύσει ξανά τα  στοιχεία του Oklo χρησιμοποιώντας όπως λέει ρεαλιστικότερους αριθμούς για το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων που βρίσκονται στον φυσικό αντιδραστήρα. Και τα αποτελέσματα τον έχουν εκπλήξει. Η σταθερά άλφα, φαίνεται, ότι έχει μειωθεί περισσότερο από 4,5 μέρη προς 10⁸ από τότε που το Oklo ήταν ζωντανό.

Αυτό σημαίνει μια πολύ μικρή αύξηση στην ταχύτητα του φωτός (υποθέτοντας καμία αλλαγή στις άλλες σταθερές από τις οποίες εξαρτάται η άλφα), αλλά η νέα ανάλυση του Lamoreaux είναι τόσο ακριβής που μπορεί να αποκλείσει τη δυνατότητα μιας αλλαγής στην ταχύτητα του φωτός. "Είναι αρκετά συναρπαστικό," λέει.

Μέχρι τώρα η αναθεώρηση των στοιχείων του Oklo δεν έχει φέρει αντιδράσεις. "Η ανάλυση είναι λεπτή", αναφέρει ο Thibault Damour του Ινστιτούτου Προηγμένων Επιστημονικών Μελετών (IHES) στην Bures-sur-Yvette στη Γαλλία, ο οποίος συνυπογράφει μια μελέτη του 1996 για την περιοχή Oklo, που δεν βρήκε καμία αλλαγή στην άλφα. Ο Peter Moller του LANL, που, μαζί με Ιάπωνες ερευνητές, δημοσίευσε μια εργασία το 2000 για τον αντιδραστήρα Oklo,  και ο οποίος δεν βρήκε επίσης καμία αλλαγή στηνν άλφα, λέει ότι οι υποθέσεις του Lamoreaux είναι λογικές.

Η ανάλυση μπορεί να είναι σωστή, και οι υποθέσεις λογικές, αλλά μερικοί φυσικοί είναι απρόθυμοι να δεχτούν τα συμπεράσματα. "Δεν μπορώ να δω κανένα ιδιαίτερο λάθος", λέει ο Flambaum. "Εντούτοις, το αποτέλεσμα είναι τόσο επαναστατικό που πρέπει να τύχει πολλών ανεξάρτητων επιβεβαιώσεων".

Ενώ η ομάδα του Flambaum διαπίστωσε ότι η άλφα ήταν διαφορετικά πριν 12 δισεκατομμύρια χρόνια, το νέο αποτέλεσμα για το Oklo υποστηρίζει ότι η άλφα άλλαξε πολύ αργότερα, τα τελευταία δύο δισεκατομμύρια χρόνια. Εάν άλλες μέθοδοι επιβεβαιώσουν τα τελευταία ευρήματα του Oklo, θα δώσει την ευκαιρία στους φυσικούς για να αναπτύξουν νέες θεωρίες. "Είναι σαν να ανοίγεις μία πύλη", λέει ο Dmitry Budker, ένας συνάδελφος του Lamoreaux στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ.

Πρόβλημα οριζόντων

Μερικοί φυσικοί θα δέχονταν ευχαρίστως μια μεταβλητή άλφα. Παραδείγματος χάριν, εάν ήταν μικρότερη στο παρελθόν, που αυτό σημαίνει μια υψηλότερη ταχύτητα του φωτός, θα έλυνε το "πρόβλημα των οριζόντων".

Οι κοσμολόγοι έχουν βασανιστεί να εξηγήσουν γιατί περιοχές του σύμπαντος, που βρίσκονται πολύ μακριά μεταξύ τους, έχουν κατά προσέγγιση την ίδια θερμοκρασία. Αυτό υπονοεί ότι αυτές οι περιοχές ήταν κάποτε πολύ κοντά ώστε να ανταλλάξουν ενέργεια και να αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία, όμως τα τρέχοντα μοντέλα του αρχικού σύμπαντος αποτρέπουν να συμβαίνει αυτό, εκτός κι αν υποθέτουν μια υπερ-ταχεία διαστολή αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη (πληθωρισμός).

Εντούτοις, μια υψηλότερη ταχύτητα του φωτός στις αρχές του σύμπαντος θα επέτρεπε στην ενέργεια να περάσει μεταξύ αυτών των περιοχών υπό μορφή φωτός.

Η μεταβλητότητα των "σταθερών" θα άνοιγε επίσης την πόρτα στις θεωρίες, όπως εκείνες που παραβιάζουν τους νόμους της διατήρησης της ενέργειας. Και θα ωθούσε τις θεωρίες χορδών στις οποίες οι πρόσθετες διαστάσεις αλλάζουν τις σταθερές της φύσης σε μερικές θέσεις του χωρόχρονου.

Αλλά "δεν υπάρχει καμία αποδεκτή θεωρία μεταβολής της άλφα", προειδοποιεί ο Flambaum. Αντ' αυτής, υπάρχουν ανταγωνιστικές θεωρίες, από αυτές που προβλέπουν ένα γραμμικό ρυθμό μεταβολής στην άλφα, μέχρι εκείνες που προβλέπουν γρήγορες ταλαντώσεις. Ο John Barrow, που είναι πρωτοπόρος στις θεωρίες μεταβλητότητας της άλφα στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ, λέει ότι το πιο πρόσφατα αποτέλεσμα του Oklo δεν ευνοούν οποιαδήποτε από τις σημερινές θεωρίες. "Θα περιμέναμε η άλφα να σταματήσει να μεταβάλλεται πέντε έως έξι δισεκατομμύρια χρόνια πριν", λέει.

Ρυθμός αντίδρασης

Προτού η μελέτη του Lamoreaux για την περιοχή Oklo μπορέσει να ευνοήσει οποιαδήποτε θεωρία μεταβολής της άλφα, υπάρχουν μερικά ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Το πρώτο είναι ότι οι ακριβείς συνθήκες του φυσικού αντιδραστήρα Oklo δεν είναι γνωστές. Οι πυρηνικές αντιδράσεις γίνονται με διαφορετικούς ρυθμούς ανάλογα με τη θερμοκρασία του αντιδραστήρα, την οποία ο Lamoreaux υπέθεσε ότι ήταν μεταξύ 227 και 527°C.

Ο Damour αναφέρει ότι η θερμοκρασία θα μπορούσε να μεταβάλλεται πολύ περισσότερο από αυτό το εύρος. "Πρέπει να αναδημιουργήσετε τη θερμοκρασία των τελευταίων δύο δισεκατομμυρίων ετών βαθιά κάτω στο έδαφος", λέει.

Ο Damour, επίσης, υποστηρίζει ότι οι σχετικές συγκεντρώσεις  των ισοτόπων του σαμαρίου δεν μπορούν να καθοριστούν τόσο καλά όσο ο Lamoreaux έχει υποθέσει, που θα μπορούσε να σημαίνει ότι είναι πιθανή η αμεταβλητότητα της άλφα. Αλλά ο Lamoreaux επισημαίνει ότι και οι υποθέσεις για τη θερμοκρασία του αντιδραστήρα Oklo και της αναλογίας των ισοτόπων του σαμαρίου έγιναν αποδεκτές στις προηγούμενες μελέτες του Oklo.

Άλλο ένα άγνωστο σημείο είναι εάν άλλες φυσικές σταθερές μπορούν να μεταβάλλονται μαζί ή όχι με την άλφα. Η ικανότητα του σαμάριου-149 να συλλάβει ένα νετρόνιο εξαρτάται επίσης από μία άλλη σταθερά, την άλφα (s), η οποία είναι υπεύθυνη για την ισχύ της ισχυρής πυρηνικής δύναμης μεταξύ του πυρήνα και του νετρονίου.

Και το Μάρτιο του 2004, ο Flambaum υποστήριξε ότι η αναλογία των διαφόρων στοιχείων που έμειναν αμέσως μετά το Big Bang υποδεικνύει ότι η άλφα (s) πρέπει να έχει διαφοροποιηθεί από τότε ως προς τη σημερινή τιμή της.

Ενώ ο Victor Lamoreaux δεν έχει εξετάσει οποιαδήποτε πιθανή αλλαγή στην σταθερά άλφα (s) στη μελέτη του για τον αντιδραστήρα Oklo, υποστηρίζει ότι είναι σημαντικό να εστιάσει την προσοχή του στις πιθανές αλλαγές της σταθεράς άλφα, επειδή τα στοιχεία του Oklo έχουν δοκιμαστεί από επιστήμονες για το εάν η άλφα μπορεί να μεταβάλλεται. "Έχω ξοδέψει πολύ χρόνο στη σταδιοδρομία μου για να επιστρέφω σε παλιές μετρήσεις για να ελέγξω πράγματα που είναι "γνωστά" και αυτό με οδηγεί πάντα σε νέες ιδέες",  συμπληρώνει.

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 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.

Στα φάσματα πολλών ατόμων, αυτό που χονδρικά φαίνεται να αποτελούνται από μια γραμμή, όταν το παρατηρήσουμε πιο 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.