Strona głównaPytania → Czy stałe fizyczne są, były...

Czy stałe fizyczne są, były i będą stałe?

Pytanie

Pyta Ania

Czy stałe fizyczne są, były i będą stałe? A jeśli nie, to jaką to niesie informację dla fizyki? Znalazłam ostatnio informację, że zmierzono, że stała struktury subtelnej zmieniała się (minimalnie, ale jednak) w czasie istnienia naszego Wszechświata i że jest to związane z dominacją materii lub ciemnej energii. Zakładając, że wynik jest prawidłowy i nie jest spowodowany błędem aparatury, czy to daje nam jakieś informacje na temat różnic między materią a ciemną energią?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Teorie fizyczne opisujemy przy pomocy równań, w których występują parametry nazywane stałymi fizycznymi. Wiele z tych stałych opisuje jedynie związki między umownie wybranymi jednostkami, w których wyrażamy różne wielkości (np. odległość w metrach, a czas w sekundach). Fundamentalnymi stałymi są tylko wielkości bezwymiarowe (bez jednostek), takie jak stała struktury subtelnej $\alpha \simeq 1/137.036$. W teorii zjawisk elektromagnetycznych (elektrodynamice klasycznej i kwantowej) przyjmuje się, że wielkość ta nie zmienia się w czasie. Jesli zaobserwujemy zjawiska sprzeczne z tymi teoriami, będziemy musieli stworzyć nową teorię. Dopóki ich nie obserwujemy, przyjmujemy teorię możliwie najprostszą, w której $\alpha$ nie zależy od czasu. To samo dotyczy innych bezwymiarowych stałych fizycznych. Taka jest odpowiedź na pytanie „Czy stałe fizyczne są, były i będą stałe?”

Sformułujmy teraz nasze pytanie nieco precyzyjniej. Zapytajmy czy istotnie obserwujemy zjawiska, które sprzeczne są z założeniem o stałości $\alpha$ w czasie. Pomiarów $\alpha$ dokonujemy mierząc stosunki długości fali charakterystycznych linii widmowych emitowanych lub absorbowanych przez atomy różnych pierwiastków. Emitujący/absorbujący materiał może znajdować się w naszym laboratorium, a może też znajdować się w obłoku odległym od nas o miliardy lat świetlnych. W ten sposób możemy testować czy $\alpha$ naprawdę jest stała w czasie i przestrzeni.

Znani astronomowie opublikowali w ostatnich latach artykuły, w których twierdzą, że obserwowane przez nich linie widmowe z odległych obiektów mają własności sprzeczne z założeniem o stałości $\alpha$ zarówno w czasie jak i w przestrzeni (obserwują zależność od kierunku). Ich twierdzenia są jednak kontestowane przez innych naukowców, którzy krytykują ich za zbyt optymistyczne szacowanie błędów systematycznych oraz ignorowanie innych niż zmienność $\alpha$ wyjaśnień przeprowadzonych obserwacji. Moim zdaniem twierdzenia o zmienności $\alpha$ nie można traktować jako udowodnionego, choć z drugiej strony hipotezę tę należy traktować poważnie, i śledzić rozwój wydarzeń.

Jeśli te informacje potwierdziłyby się, to trzeba by jakoś wbudować możliwość zmienności $\alpha$ do teorii opisujących oddziaływania fundamentalne. Wartość $\alpha$ zależy od masy elektronu, a ta z kolei zależy od wartości próżniowej pola Higgsa, która powiązana jest z gęstością ciemnej energii. W teorii strun inne pola (tzw. moduły) dające wkład do gęstości ciemnej energii mają też wpływ na wartość $\alpha$. Problem wyjaśnienia obserwowanej wartości ciemnej energii jest jednym z podstawowych nierozwiązanych problemów kwantowej teorii pola nawet w przypadku gdy $\alpha$ jest stała. Różnice między własnościami ciemnej energii i materii są dla nas jasne, problemem jest tylko brak zrozumienia dlaczego wartość gęstości ciemnej energii nie jest o kilkadziesiąt rzędów wielkości większa od obserwowanej. Zmienność tej gęstości w czasie i przestrzeni uczyniłaby ten problem jeszcze trudniejszym. To jest odpowiedź na pytanie czy zmienność $\alpha$ da nam jakieś informacje o ciemnej energii.