Sunt constantele naturale pentru totdeauna neschimbabile?

În desișul legilor și formulelor fizice există nouă cantități fixe. Întreaga structură a fizicii se bazează pe aceste așa-numite constante fundamentale; ele determină proprietățile materiei și forțelor. Dar termenul implică două întrebări: Cât de fundamentale sunt aceste cantități și sunt chiar constante? Teoreticienii își fac griji, experimentatorii caută răspunsuri prin tehnologia de măsurare. Ce face ca o mărime fizică să fie o constantă fundamentală?

Conform înțelegerii de astăzi, nu trebuie să se regăsească în alte cantități și ar trebui să aibă întotdeauna aceeași valoare în fiecare loc al universului și în orice moment. Din câte se știe, aceste proprietăți sunt îndeplinite de nouă dimensiuni. Cele mai cunoscute sunt constanta gravitațională și sarcina elementară a unui electron.

Cu toate acestea, nu se poate dovedi exact că aceste constante au fost cu adevărat mereu și pretutindeni neschimbabile. Teoriile moderne, în care s-ar dori să fuzioneze cele patru forțe naturale cunoscute într-o singură forță elementară, uneori prezic chiar modificări ale constantelor naturale în timp sau cel puțin le permit. Aceasta include așa-numita teorie a superstring-ului, în care particulele elementare arată ca niște fire oscilante. Acest lucru îi inspiră pe fizicieni să caute schimbări ale constantelor naturale.

Astfel de considerații au apărut pentru prima dată încă din 1937. La acea vreme, teoreticianul britanic Paul Dirac a dezvoltat o teorie în care constanta gravitațională și, astfel, gravitația a scăzut de la Big Bang. Această ipoteză a fost mult timp respinsă. Dar ideea unei constante gravitaționale care schimbă timpul a rămas. Poate fi verificat la un anumit grad de acuratețe. Când gravitația scade, planetele ar trebui să se îndepărteze din ce în ce mai mult de soare și de lună de pe pământ. Cu toate acestea, măsurătorile de distanță exacte milimetric până la lună de-a lungul anilor nu au dezvăluit încă nicio modificare a constantei gravitaționale.

Cu toate acestea, Michael Murphy și colegii de la Universitatea New South Wales din Sydney au provocat recent agitație. Ei susțin că așa-numita constantă a structurii fine s-a schimbat de la Big Bang. Este decisiv pentru structura atomilor și, prin urmare, și pentru lungimea de undă a luminii pe care o emit. Astronomii au analizat lumina de la un total de 150 de quasari la distanțe diferite. Întrucât a fost nevoie de momente diferite pentru a ajunge de la aceste corpuri cerești la pământ, astronomii privesc înapoi la trecutul spațiului. Aceasta deschide posibilitatea de a măsura valoarea constantei structurii fine în momente diferite. Rezultatul: valoarea constantei structurii fine a crescut cu o sutime din o mie. Dacă ar fi corectă, această variație ar fi extrem de mică. Dar chiar și cea mai mică abatere de la imuabilitate ar fi o senzație.

Cu toate acestea, există și alte măsurători conform cărora constanta structurii fine nu s-a schimbat în mod demonstrabil cel puțin în ultimele două miliarde de ani.

Strict vorbind, constanta structurii fine nu este una dintre cantitățile fundamentale ale fizicii, deoarece este o combinație de alte trei constante naturale. Deci, dacă s-a schimbat în trecut, cel puțin una dintre constantele din el trebuie să fie și ea schimbătoare.

Constanta structurii fine este, de asemenea, de o mare importanță pentru fizica atomică. Dacă valoarea lor se schimbă, cantitățile fizice încep să fluctueze și în altă parte. Profesorul Harald Fritzsch de la Universitatea din München a examinat aceste posibile efecte. El a descoperit că și masele de electroni și protoni ar trebui să se schimbe. Ca urmare, lungimea de undă a luminii emise de atomi s-ar schimba în timp.

Acest efect ar trebui să poată fi chiar verificat prin măsurători în laborator.

Prin urmare, Fritzsch i-a sugerat colegului său profesorul Theodor Hänsch de la Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică din Garching să caute un astfel de „detunare ușoară”. Ca rezultat, grupul lui Hänsch a construit ceea ce este cunoscut sub numele de pieptene de frecvență cu care pot determina lungimi de undă cu o precizie fără precedent. Măsurarea este atât de precisă încât predicția lui Fritzsch cu privire la modificarea lungimii de undă în timp poate fi verificată în câteva luni. Experimentul tocmai s-a încheiat și acum este evaluat. Rezultatul ar trebui să fie disponibil în câteva săptămâni. „Dacă nu există niciun efect atunci, cred că măsurătorile lui Murphy sunt incorecte”, spune Fritzsch.

Fizicienii din întreaga lume caută variații ale constantelor fundamentale. Până în prezent, niciunul dintre aceste experimente nu a furnizat vreo indicație a unei variații în timp. Există multe indicii că constantele fundamentale și-au păstrat valorile de la Big Bang până astăzi. Cu aceasta, cadrul din cadrul căruia universul s-ar putea dezvolta a fost definit chiar de la început.

Și astfel apare următoarea întrebare: Cum au fost stabilite valorile? A fost o coincidență? Valorile duc inevitabil la o teorie unificată? „Această întrebare se află în primele zece probleme nerezolvate”, spune Fritzsch. Interesant este faptul că constantele naturale sunt alese în mod optim pentru a crea o lume în care planetele și în cele din urmă viața s-ar putea dezvolta. Dacă neutronul ar fi doar cu un procent mai ușor sau mai greu, nu ar exista hidrogen în spațiu. Și constanta structurii fine joacă din nou un rol central, mai ales cu abundența carbonului. Acest element, care este atât de crucial pentru dezvoltarea vieții, nu a apărut în Big Bang. S-a format doar în interiorul stelelor, care eliberează carbonul în univers în faza lor finală. Acolo este disponibil ca materie primă pentru stele, planete și viață.

Valoarea constantei structurii fine este optimă pentru a permite producerea carbonului în cantități foarte mari. Dacă ar fi diferit de doar jumătate la sută, producția ar fi redusă de o sută de ori. Elementele esențiale nu ar fi atunci suficient disponibile în spațiu pentru a putea forma viața.

Există mai multe modificări subtile de acest fel care îi determină pe cercetători să se gândească. Unii dintre ei explică acest lucru destul de sobru: dacă valorile constantelor s-ar fi dovedit diferit și universul ar fi fost ostil vieții, noi oamenii nu am exista și nimeni nu ar întreba despre constantele naturale.

Mulți cosmologi consideră că această interpretare este nesatisfăcătoare. Ei cred că universul nostru este doar unul dintre multele universuri paralele. În aceste lumi constantele fundamentale ar avea valori diferite.

În unele universuri nu ar exista absolut deloc, în altele o constantă gravitațională mult mai mare ar asigura că spațiul se extinde doar câteva secunde, minute sau chiar ani, pentru a se prăbuși rapid după aceea. Cu toate acestea, în alte universuri, gravitația poate fi atât de slabă încât gazul nu se poate condensa niciodată în stele și planete. Doar câteva universuri au echilibrul potrivit. Locuim într-una dintre ele.