Kas būtų, jei Visatoje pasikeistų vos kelios konstantos? Stabilus nerimas dėl stabilumo  ()

Supratus, kaip subtiliai sudėlioti Visatos dėsniai, norom nenorom kyla nerimas, kad šis kortų namelis gali sugriūti. Užtektų vos vos pakisti kokiai nors konstantai.

Jeigu automatiškai nenusukate akių vos pamatę formulę, turbūt pastebėjote, kad ne visi dydžiai jose yra kintamieji, jose dažnai pasitaiko ir nekintamų dydžių – konstantų. Mokykloje turbūt įsimintiniausia konstanta buvo laisvojo kritimo pagreitis Žemės paviršiuje, g. Iš pradžių tai buvo 10 m/s², vėlesnėse klasėse tai tapo 9,8 m/s², tada 9,81 m/s² ir t. t. Pati konstanta nesikeitė, keitėsi ir gilėjo poreikis tikslumui. Tuo labiau, kad laisvojo kritimo pagreitis net nėra konstanta – jis priklauso nuo to, kur mes esame. Tad, tai – tik skaičiavimų skaitinė išraiška. Tuo tarpu su šviesos greičiu irgi susipažįstame, tačiau tai jau yra tikra konstanta – net sąveikaudami su gravitacija, fotonai ne greitėja ar lėtėja, o keičia savo bangos ilgį. Šviesos greitis išlieka toks pats. Bet šviesos greitis matuojamas metrais per sekundę (m/s) – todėl mūsų žinios apie jo vertę remiasi mūsų metro ir sekundės apibrėžimu. Todėl šviesos greitis tik sąlyginai yra konstanta, nes priklauso nuo metro ir sekundės apibrėžimo. Iš tikro, metras yra tam tikras atstumas, kurį nukeliauja šviesa per sekundę. Kas tuomet yra sekundė? Sekundė yra susieta su laiku, per kurį įvyksta 9 192 631 770 šuolių tarp cezio energijos lygmenų 0 K temperatūroje. Tad, norėdami ištirti šviesos greitį, turime tirti ir cezio atominę struktūrą. Arba, pakeitę matų sistemą, tirti jos ilgio ir laiko vienetų etalonus.

Kai kurios fizikinės konstantos išreiškiamos bedimensiniais dydžiais. Tokių konstantų tikslumo išmatavimas nepriklauso nuo pasirinktos matavimo sistemos. Kodėl tai aktualu? Nes, skirtingai nei su laisvojo kritimo pagreičiu, nėra jokio pagrindimo, kodėl konstantos turėtų būti vienokios, bet ne kitokios. Nuo konstantų verčių priklauso visas pasaulis, kaip jį suprantame. Fundamentalios fizikinės konstantos lemia trijų iš keturių fundamentalių jėgų tarpusavio sąveiką, kuri, savo ruožtu lemia atomų struktūrą. O nuo atomų struktūra lemia chemines reakcijas. Pavyzdžiui, jei smulkiosios struktūros konstantos, charakterizuojančios elektromagnetinio lauko sąveiką su krūvį turinčiomis dalelėmis, vertė skirtųsi 4 procentais, branduolinė sintezė būtų galima tik iki anglies. Jei skirtųsi daugiau, branduolinė sintezė nevyktų iš viso ir ne tik gyvybė, bet ir žvaigždžės negalėtų egzistuoti. Tai atitinkamai kelia filosofinius klausimus, kodėl konstantos yra tokios, kad galėjo atsirasti ir žvaigždės, ir planetos, ir gyvybė bent vienoje jų.

Fizikoje smulkiosios strukūros konstanta, dar vadinama Sommerfeldo konstanta, dažniausiai žymima graikiška raide alfa – \(α\) – yra bedimensinė fizikinė konstanta, charakterizuojanti elektromagnetinės sąveikos tarp elementariųjų krūvį turinčių dalelių stiprį. Ji susijusi su elementariuoju krūviu \(e\), aprašančiu elementarių krūvį turinčių dalelių sąveiką su elektromagnetiniu lauku formule \(4πε_0ħcα=e^2\). Kadangi tai bedimensinis dydis, skaitinė jo reikšmė vienoda visose vienetų sistemose ir yra maždaug \(\frac{1}{137}\). Atvirkštinė \(α\) reikšmė yra 137,035999139(31).

Mokslininkus itin domina, ar tikrai šios konstantos laikui bėgant nekinta. Kaip laisvojo kritimo pagreitis priklauso nuo jo matavimo vietos, gal ir konstantos priklauso nuo matavimo vietos ar laiko. Kosminiu masteliu, Žemėje variacijų erdvėje negalime efektyviai išmatuoti, tačiau laboratorijose gan tiksliai galima išmatuoti smulkiosios konstantos vertes. Atitinkamai, laikas tarp matavimų leidžia apriboti, kiek smulkiosios struktūros konstanta gali kisti dabartiniais laikais.

Smulkiosios struktūros kitimą kiek paprasčiau išmatuoti, perėjus prie kosminių tyrimų. Kadangi šviesos greitis ribotas, kuo tolimesnius objektus stebime, tuo seniau jų šviesa yra susiformavusi. Tad, jei galima būtų stebėti nuo smulkiosios struktūros konstantos priklausančias šviesos savybes, galėtume nustatyti, ar smulkiosios struktūros konstanta kiek nors pasikeitė. Tai įmanoma, nes atomų elektronai juda ne tik apie atomo branduolį, orbitalėse, bet ir „sukasi“ apie savo ašį, priklausomai nuo magnetinio lauko (sukinys).

Jei esate matę žvaigždės spektrą, turbūt pastebėjote įvairias spektro linijas, kuriose šviesa silpnesnė. Jų bangos ilgis priklauso nuo energijos, kurią sugeria ar išspinduliuoja elektronas, pereidamas iš vieno energijos lygmens į kitą. Nors didelė dalis spektro linijų atrodo ryškios, nes įvyksta daug šuolių su tokia pačia energija, iš tikro tai yra kelių spektro linijų su labai panašiais bangos ilgiais superpozicija. Didžiąją dalį bangos ilgio nulemiama energijos skirtumas tarp elektrono orbitų, bet bangos ilgis nežymiai priklauso ir nuo elektrono sukinio. Šis bangos ilgių skirtumas priklauso nuo smulkiosios struktūros konstantos vertės. Tad, mums reikia pakankamai stipraus šviesos šaltinio, kad jo išspinduliuota šviesa būtų stebima dar šiandien, ir spektro linijų šaltinio. Idealūs tokios šviesos šaltiniai yra kvazarai. Tačiau kvazarų spinduliuotė nepasižymi tokiems matavimams tinkamomis spektro linijomis. Reikia, kad tarp mūsų ir kvazaro būtų tarpžvaigždinių dujų debesis, kuris, priklausomai nuo savo cheminės sudėties, galėtų sugerti tam tikrų bangos ilgių šviesą ir taip suformuoti spektro linijas, kurias galėtume stebėti.

Vienas toks tyrimas 1999 m. pateikė kontroversišką rezultatą – smulkiosios struktūros konstanta tarp 23 % ir 87 % Visatos amžiaus pasikeitė -0,72±0,18×10⁻⁵, t. y. >99,4 % tikimybė, kad konstanta keitėsi¹. Be to, atlikę naujų tyrimų kita kryptimi Visatoje, autoriai aptiko, kad smulkiosios struktūros konstanta gali priklausyti ir nuo krypties! Vis dėlto, vėlesni tyrimai, besiremiantys skirtingomis spektro linijomis, įvairiuose objektuose, įvairiose epochose šio rezultato nepatvirtino ir dauguma tyrimų rodo, kad smulkiosios struktūros konstanta ilgainiui nekinta. Tiksliausias smulkiosios struktūros konstantos kitimo matavimas atliktas pasitelkus optinius atominius laikrodžius, kurie remiasi aliuminio ir gyvsidabrio jonų spinduliuotės šuoliais. Atitinkamai, šių šuolių bangos ilgių matavimo santykinis tikslumas toks didelis (~2×10⁻¹⁷), kad jis yra tikslesnis, nei SI vienetų sistemos sekundės apibrėžimas (3,3×10⁻¹⁶). Atitinkamai, palyginus abiejų šių elementų šuolius, galima gauti bedimensinį, nuo vienetų nepriklausantį smulkiosios struktūros konstantos kitimo spartos įvertį, kuris šiuo metu yra -1,6±2,3×10⁻¹⁷, tai yra, suderinamas su teiginiu, kad dabar smulkiosios struktūros konstanta nekinta.²

Kita fundamentali konstanta, kurios kitimą galime išmatuoti, yra protono ir elektrono masių santykis. Kadangi protono masę sudaro gliuonai ir kvarkai, šis santykis atspindi stipriąją sąveiką, vieną iš fundamentalių fizikinių jėgų. Žinoma, elektronų orbitų energija priklauso nuo to, koks yra protonų ir elektronų masių santykis, tad kaip ir smulkiosios struktūros atveju, galima stebėti spektro linijų bangos ilgių skirtumus, kurie priklauso nuo protono ir elektrono masių santykio. Kaip ir smulkiosios struktūros konstantos atveju, buvo atrasta, kad >99,4 % tikslumu ši konstanta galėjo keistis. Rinhold ir kt.³, ištyrę vandenilio molekulių sugertį dviejų kvazarų išspinduliuotoje šviesoje, nustatė, kad protono ir elektrono masių santykis santykinai galėjo pasikeisti 2,4±0,6×10⁻⁵. Vis dėlto, remiantis tais pačiais spektrais vėliau King ir kt. atlikta analizė nustatė tikslesnį, 2,6±3,0×10⁻⁶ įvertį. Tiksliausias šiuo metu įvertis rodo, kad protonų ir elektronų masės santykio kitimas turėtų siekti 0,0±1,0×10⁻⁷, t. y. suderinama su hipoteze, kad šis santykis neturėtų kisti.

Aktualus ne tik šių dviejų konstantų kitimas. Mes norėtume žinoti visų konstantų kitimą laike. Pavyzdžiui, jei šviesos greitis galėtų kisti, galima būtų paaiškinti infliaciją – epizodą Visatos istorijoje, kai manoma, kad Visata plėtėsi greičiau, nei šviesos greitis. Nors infliacijos epocha leidžia paaiškinti, kodėl medžiaga nėra homogeniška (mikroskopiniai nehomogeniškumai tapo makroskopiniais dėl išsiplėtimo spartesnio, nei galima medžiagos tarpusavio sąveika), nėra žinoma, kas tai galėjo sukelti. Jei šviesos greitis buvo mažesnis, tuomet nereiktų laikyti, kad Visata sparčiai plėtėsi. Taip pat aktualios ir gravitacinės konstantos ar kosmologinės konstantos vertės. Nuo jų priklauso, Visatos plėtimosi greitis ar galėjo net ir susitraukti po Didžiojo Sprogimo. Tačiau mes jų negalime taip išmatuoti, kaip smulkiosios struktūros ar protono ir elektrono masių santykio konstantų – šviesos greitis ir dauguma kitų konstantų turi vienetus. Visi vienetai yra vienaip ar kitaip apibrėžti ir mes tiesiog negalime atskirti, kas keitėsi – šviesos greitis, ar mūsų vienetai.

Bendrai, konstantų vertės svarbios visai Visatos struktūrai, ne tik žmonių egzistavimui. Tai kelia filosofinį klausimą, kodėl konstantos yra tokios, kokios yra. Viena vertus, galima remtis antropiniu principu, kad konstantos yra tokios, kad būtų susiformavusi gyvybė tokia, kokia dabar yra, t. y. konstantos yra tokios ne atsitiktinai. Šios teorijos priešininkai kritikuoja oponentų vaizduotės trūkumą: net jei mes negalime sugalvoti ir suprasti kitokios gyvybės, nei esame susidūrę Žemėje (anglies pagrindu), tai nereiškia, kad tokios nėra. Jei tuomet nelaikysime, kad gyvybei būtinai reikalinga anglis, tuomet, pavyzdžiui, smulkiosios struktūros konstanta galėtų būti nebūtinai dabartinės vertės ir tai nebūtinai trukdytų atsirasti gyvybei. Taip pat, jei nelaikysime, kad Visata yra vienintelė, gali egzistuoti daug kitų visatų su kitokiomis konstantų vertėmis ir mes atsiradome tiesiog tokioje, kur tam buvo palankios sąlygos. O kol kas neturime duomenų, kad konstantos kinta.


¹https://arxiv.org/abs/astro-ph/0012539v3
²http://science.sciencemag.org/content/319/5871/1808.full
³https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.96.151101
https://arxiv.org/abs/0807.4366

Aut. teisės: www.technologijos.lt
Autoriai: Jonas Klevas

(19)
(3)
(16)

Komentarai ()