BLOGCZEJNalpha

(Nie)Stała natury, która śni się naukowcom po nocach

brussel-958408_960_720.jpg

Jak zbić z tropu uczonego, kolegę interesującego się fizyką lub znajomych uwielbiających racjonalne wytłumaczenie większości zjawisk? Poddaj w wątpliwość niezmienność najbardziej fundamentalnej stałej natury.

Stałe natury - dziwne fakty

Dlaczego stałe natury mają takie wartości jakie mają? O tym rozmawiał już Albert Einstein ze swoimi kolegami, np. w formie listów.

Stała fizyczna (łac. constans) – wielkość fizyczna, która nie zmienia się w czasie i przestrzeni. - [wikipedia.org]

Po wielu rozmowach, najznakomitsi fizycy doszli do wniosku, że najbardziej fundamentalne stałe muszą być bezwymiarowe. Wynika to z tego, że ludzkość sama narzuciła sobie pewne wymiary np. definicję metra czy sekundy. Wymiary te podporządkowane są też naszemu systemowi matematycznemu.

Ciekawe jest to, że większość stałych fizycznych jest niskiego rzędu, plasują się w wartościach od małych ułamków do liczby 10. Dużo stałych to okolice jedynki, a stałe fundamentalne - są bardzo małe, np. stała grawitacji 5,9 x 10^-39.

Stała struktury subtelnej

Jest to najbardziej fundamentalna stała, której używamy w naszej nauce oznaczana małą literą grecką alfa. Opisuje ona siłę oddziaływań elektromagnetycznych, które są fundamentalną siłą w naturze. Oddziaływanie elektromagnetyczne jest jedną z czterech elementarnych oddziaływań nam znanych.

Na wartość stałej wpływa:

  • ładunek elektronu,
  • stała Plancka,
  • prędkością światła w próżni,
  • przenikalność elektryczna próżni.



Wartość stałej wynosi w przybliżeniu

  • 1/137

Czy 9 miliardów lat temu atomy były innej wielkości?

Brzmi to absurdalnie, ale najnowsze badania dalekiego kosmosu wskazują, że stała ta mogła mieć inną wartość miliardy lat temu! I choć mowa tu o małych różnicach rzędu jednej kilkuset tysięcznej to burzy to nasze pojęcie o wszechświecie. Bo jak inaczej nazwać fakt, że w przeszłości atomy mogły być inne? Chemicy, którzy dowiadywali się o możliwej niestałości fundamentu ich nauki reagowali z przerażeniem.

Przez bardzo długi czas uważaliśmy, że fizyka w całym (naszym lub chociaż widzialnym) wszechświecie jest w każdym punkcie (czasoprzestrzeni*) taka sama. Zmienność stałej w przeszłości zmienia zupełnie podejście do ewolucji wszechświata, dzięki któremu mamy parę nowych teorii jak powstaliśmy.

Na szczęście chemicy mogą spać spokojnie bo zakres zmiany w bardzo długim okresie, bardzo nieduży - nie wpłynąłby na chemię w warunkach Ziemskich. Jeżeli jednak udowodnimy teoretycznie wyniki eksperymentów, oznacza to w przyszłości zagładę naszego świata. Póki co dysponujemy obserwacjami dokonanymi z różną rozdzielczością.

Zaważyła ciekawość

Wszystko zaczęło się od badań nad naturalnym reaktorami jądrowymi w Oklo w Gabonie. Zauważono, że ilość naturalnych izotopów w rejonie nie zgadza się z teoretycznym. W końcu wysnuto teorię, że w przeszłości w tym miejscu zachodziły naturalne reakcje rozszczepienia, które doprowadziły do zaburzenia tej ilości. Wszystko dzięki idealnemu położeniu skał, skał bogatych w uran, wody pod ziemią, które pozwoliły na samoistne działanie reakcji jądrowych, wraz z wygaszeniem.

Aleksander Szlachter badając wyniki z naturalnych reaktorów zauważył coś, co załamało wiarę w niezmienność stałych natury.

Szlachter obliczył maksymalną zmianę alfa w czasie żeby reakcje, które zaszły w Oklo 2 miliardy lat temu były możliwe. Liczba ta wynika z wąskiego zakresu energii rezonansowej (wychwyt neutronu przez jądro samaru-149). Co tutaj jest zaskakującego? Ano fakt, że nie jest to punkt, a przedział czyli silne oddziaływania jądrowe w atomach powiązane ze stałą alfa mogły być inne.

Upraszczając, wszechświat rozszerzający się 14 miliardów lat nie mógł mieć zmienionej stalej struktury subtelnej bardziej niż o jedną dziesięciomilionową. Ale mógł.

Więc spojrzeliśmy w niebo

To był punk zapalny, żeby zbadać tę kwestię dokładniej. Obserwacje astronomiczne w dzisiejszym świecie dostarczają nam chyba najwięcej wiedzy na temat naszej rzeczywistości.

George Gamow postanowił sprawdzić czy zmiana stałej struktury subtelnej spowodowałaby przesunięcie ku czerwieni światła pochodzącego z dalekich galaktyk (zjawisko dzięki oddalaniu się od siebie obiektów w kosmosie). Gamow poległ, ale do idei powrócono po odkryciu kwazarów, które emitują fale radiowe bardzo silnie przesunięte ku czerwieni.

Dzięki parom linii spektralnych, kwazary niosą informację o wartości stałej alfa. Szczegółów omawiać nie będę żeby nie zgubić wątku. Porównując dane powstałe miliardy lat temu z tymi w naszym laboratorium można sprawdzić czy coś się zmieniło. Otrzymane dane niestety w swoim dopuszczalnym błędzie zawierały zmienność jak i stałość alfa.

Eureka?!

Dzięki tym rozważaniom niesamowicie rozwinięto badania przestrzeni kosmicznej. Niezaspokojeni naukowcy wymyślili jeszcze lepszą metodę, żeby udowodnić niezmienność alfa (a właściwie dopuszczalny przez przyrządy zakres niezmienności).

Polega ona także na analizie światła z kwazarów, ale zamiast analizować linie spektralne jednego pierwiastka badano różne pierwiastki w chmurach pyłu między naszą planetą, a kwazarem. Zbadano 128 kwazarów, dzięki symulacjom komputerowym wiedzieliśmy jakie powinny być wyniki dla zmian stałej w konkretnych przypadkach pierwiastków.

Naukowcy, którzy nad tym pracowali na początku nie dowierzali wynikom.

Okazuje się, że wielokrotnie sprawdzone wyniki mówią, że powstały wzorzec pasuje do tego , który zaistnieje jeśli stała struktury subtelnej była niższa o 7 milionowych w czasie kiedy powstało badane światło. Dane zgadzały się dla wszystkich kwazarów.

Zgodnie z tym wnioskiem w przeszłości elektryczność i magnetyzm były trochę słabsze, a atomy większe.

Niestałość zmienności?

Żeby nie było za łatwo zostawiłem coś na deser. Okazuje się, że zmienność stałej subtelnej nie musi być jednostajna w czasie. Może od 2 miliardów lat przestała się zmieniać (!), skąd pochodzą dane z Oklo.

Nie ma tu sprzeczności z wynikami z kwazarów i reaktorów z Oklo, zmienność mogła być inna w tych różnych okresach. Temat jest bardzo rozległy i wymaga kompleksowego spojrzenia. Stała struktury subtelnej prawdopodobnie zmieniała się zależnie od er rozszerzania wszechświata. W erze promieniowania była stała, potem w erze pyłu rosła, a w erze w której jesteśmy teraz znów jest stała. Dowody z tą teorią współgrają. Czy dzięki temu żyjemy? Szczegóły być może pozwolę Wam poznać w kolejnych postach, póki co ciekawskim pozostaje zgłębienie literatury.

Uwagi mile widziane, tekst miał być prostym przełożeniem skomplikowanego tematu. Ciekawskich odsyłam do książki podanej poniżej.

Źródła:

  • pixabay
  • wikipedia.org
  • The Constants of Nature: The Numbers That Encode the Deepest Secrets of the Universe, John D. Barrow

Poprzednio:



Mindfuck na niedzielę:

* - Zdarzenie, które widzimy na niebie np. wybuch dalekiej supernowej, dzieje się teraz czy w przeszłości?

KOMENTARZE

  • a-0-0

    https://www.youtube.com/paulbegley34

  • assayer

    Bardzo intrygujące i świetnie napisane.

    Jakieś szanse, żebyś wchodził z takimi tekstami na pl-religia, który jest tagiem światopoglądowym, o naszych obrazach świata, nie tylko o wierzeniach, ale także wiedzy, filozofii itp. ?

  • andzi76

    Świetny post, na prawdę czyta się z zaciekawieniem.

  • ryklwa

    Upvote i follow dla Ciebie! Pozdrawiam

  • lokibalboa

    Mindfuck na niedzielę:

    • Zdarzenie, które widzimy na niebie np. wybuch dalekiej supernowej, dzieje się teraz czy w przeszłości?

    Dla mnie akurat to jest proste - widzimy projekcję tego co było. To tak jak z obserwacją wylądowań atmosferycznych - widzimy a dopiero po chwili słyszymy co się stało. Mogę dokonać tutaj parafrazy Twojego pytania:
    - zdarzenie które usłyszeliśmy kilka sekund po jego ujrzeniu działo się w momencie gdy je zobaczyliśmy czy gdy je usłyszeliśmy?

  • krasnalek

    Kapitalne upvote i orzeł dla ciebie.
    1487743.jpg