Μια θεμελιώδης σταθερά είναι λίγο πολύ σταθερή

Πηγή: PhysicsWeb, 21 Ιουνίου 2007

Η ιδέα ότι οι θεμελιώδεις σταθερές δεν μένουν πραγματικά σταθερές με το πέρασμα του χρόνου, έχει περάσει εδώ και καιρό στο μυαλό πολλών φυσικών. Αλλά εξετάζοντας το πώς έχει απορροφήσει το φως από ένα κβάζαρ ένας απόμακρος γαλαξίας, ερευνητές στην Αυστραλία έχουν πάρει ένα νέο όριο για το πόσο μια θεμελιώδη σταθερά -- ο λόγος της μάζας του ηλεκτρονίου με του πρωτονίου -- αλλάζει με το χρόνο. Το αποτέλεσμά τους, που είναι 10 φορές ακριβέστερο από τις προηγούμενες μετρήσεις, ανεβάζει το επίπεδο της κατανόησης που έχουμε σήμερα για  τη φυσική (Phys. Rev. Lett. 98 240801).

Οι θεμελιώδεις σταθερές έχουν πολύ ειδικές τιμές για να μπορούμε να υπάρχουμε - εάν για παράδειγμα η ισχυρή πυρηνική δύναμη ήταν μόνο 1% ισχυρότερη από όση είναι σήμερα, τότε ο άνθρακας δεν θα μπορούσε να παραχθεί στα αστέρια, και δεν θα ήμαστε εδώ με τίποτα. Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο πολλοί φυσικοί είναι πρόθυμοι να ελέγξουν εάν ορισμένες θεμελιώδεις σταθερές έχουν αλλάξει σε όλη την ιστορία του Κόσμου.

Οι Victor Flambaum και Michael Kozlov του πανεπιστημίου της Νότιας Νέας Ουαλίας στην Αυστραλία έχουν χρησιμοποιήσει το φως από ένα μακρινό κβάζαρ (στην εικόνα δεξιά) για να δείξουν ότι μια από τις θεμελιώδεις σταθερές - ο λόγος της μάζας του ηλεκτρονίου με του πρωτονίου - έχει παραμείνει πιθανότατα σταθερή σε όλη τη διάρκεια της ιστορίας του σύμπαντος.

Μια τέτοια θεμελιώδης σταθερά είναι ο λόγος της μάζας του ηλεκτρονίου με του πρωτονίου, που συμβολίζεται µ. Η ακριβής σημερινή τιμή της σταθεράς αυτής είναι 1.836,153 και δεν υπάρχει εξήγηση γιατί η μάζα του πρωτονίου να είναι κατά 1836 φορές, περίπου, μεγαλύτερη από αυτή του ηλεκτρονίου.

Παραδοσιακά έχει μετρηθεί αναλύοντας στοιχεία από ένα επίγειο τηλεσκόπιο που δείχνει σε ένα κβάζαρ - ένας συμπαγής αλλά πολύ φωτεινός πυρήνας ενός νέου γαλαξία που χρησιμεύει ως ένα "αναγνωριστικό σήμα" στο απόμακρο διάστημα. Το φάσμα του φωτός από τα κβάζαρ καλύπτει ένα μεγάλο εύρος μηκών κύματος, αλλά μερικά από αυτά τα μήκη κύματος μπορούν να απορροφηθούν από μόρια στους παλαιότερους γαλαξίες καθώς το φως ταξιδεύει μέσω του διαστήματος για να έρθει μέχρι τη Γη. Αυτά τα μήκη κύματος, που ονομάζονται γραμμές απορρόφησης, αντιστοιχούν σε μόρια που "πηδούν" σε πιο υψηλά επίπεδα περιστροφικής ή ταλαντωτικής ενέργειας, και εξαρτώνται από τη σταθερά µ.

Επειδή το φως από τα κβάζαρ μπορεί να χρειαστούν και δισεκατομμύρια χρόνια για να φθάσει στη γη, η τιμή του µ όπως μετριέται από αυτές τις απόμακρες πηγές μπορεί να συγκριθεί με την τιμή του µ όπως μετριέται σε ένα εργαστηριακό πείραμα, με σκοπό να δούμε εάν η σταθερά αυτή έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια του χρόνου.

Όμως τώρα οι Victor Flambaum και Michael Kozlov του πανεπιστημίου της Νότιας Νέας Ουαλίας στην Αυστραλία έχουν βρει μια τεχνική μεγάλης ακρίβειας, ενσωματώνοντας μια ανάλυση ενός "φάσματος αντιστροφής", που παράγεται όταν άτομα στα μόρια απορροφούν το φως και οδηγούνται μέσω του φαινομένου της κβαντομηχανικής σήραγγας σε μια πιο υψηλή ενεργειακή στάθμη. Επειδή η πιθανότητα να διέλθουν μέσω της κβαντομηχανικής σήραγγας (τούνελ) εξαρτάται περισσότερο από το µ από όσο από τις γραμμές απορρόφησης στο φάσμα περιστροφής, επιτρέπει στο µ να υπολογιστεί ακριβέστερα.

Οι Flambaum και Kozlov πήραν από το ραδιοτηλεσκόπιο Effelsberg στη Γερμανία δεδομένα για το φως, που προέρχεται από ένα κβάζαρ και το οποίο πέρασε μέσα από τον γαλαξία B0218+357 κάπου 6,5 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, ενώ εξέτασαν συγχρόνως και το φάσμα αντιστροφής του από τα μόρια της αμμωνίας και τα φάσματα της περιστροφικής απορρόφησης από άλλα μόρια, όπως είναι το μονοξείδιο άνθρακα. Σύγκριναν έπειτα τα φάσματα αυτά με εκείνα από πειράματα στα εργαστήρια. Διαπίστωσαν έτσι ότι η σταθερά µ δεν μπορεί να έχει μειωθεί περισσότερο από 4 Χ 10^-16 ετησίως, και δεν μπορεί να έχει αυξηθεί περισσότερο από 2 Χ 10^-16 ετησίως - μια εκτίμηση δέκα φορές ακριβέστερη από την καλύτερη μέχρι τώρα.

Πέρυσι, μια ομάδα που καθοδηγήθηκε από τον Wim Ubachs του πανεπιστημίου στο Άμστερνταμ, βρήκε με τη χρησιμοποίηση της παλαιότερης τεχνικής, ότι η µ θα μπορούσε να μειωθεί όσο περνούσε ο χρόνος. Εάν ήταν αληθινό το εύρημα του, τότε αυτό θα σήμαινε ότι οι πιο θεμελιώδεις θεωρίες στη φυσική, όπως η θεωρία του Einstein της σχετικότητας, θα έπρεπε να επανεξεταστούν. Ο Flambaum ανέφερε, εντούτοις, ότι τα μεγαλύτερης ακρίβειας αποτελέσματά του δείχνουν ότι η µ είναι απίθανο να έχει αλλάξει, κι έτσι οι τρέχουσες απόψεις μας για τη φυσική είναι ασφαλείς. Επιπλέον, πρόσθεσε ότι εάν η τεχνική της ανάλυσης του γίνει πιο ακριβής τότε πρέπει να επιτρέψει στους θεωρητικούς να καθορίσουν τις παραλλαγές της µ με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια.