Ασυνεχείς της Φύσης
Γιατί πρέπει το μέλλον να μοιάζει με το παρελθόν; Λοιπόν, για ένα πράγμα, πάντα ήταν. Αλλά αυτό είναι από μόνο του μια παρατήρηση από το παρελθόν. Όπως τόνισε ο φιλόσοφος Ντέιβιντ Χιουμ στα μέσα του 18ου αιώνα, δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την εμπειρία μας στο παρελθόν για να υποστηρίξουμε ότι το μέλλον θα μοιάζει, χωρίς να κατέβουμε στην κυκλική λογική. Επιπλέον, οι φυσικοί παραμένουν ανίκανοι να εξηγήσουν γιατί ορισμένες θεμελιώδεις σταθερές της φύσης έχουν τις τιμές που έχουν ή γιατί αυτές οι τιμές πρέπει να παραμένουν σταθερές με την πάροδο του χρόνου.
Το ερώτημα είναι ανησυχητικό, ειδικά για τους επιστήμονες. Πρώτον, η επιστημονική μέθοδος της υπόθεσης, της δοκιμής και της αναθεώρησης θα παραπαίει εάν η θεμελιώδης φύση της πραγματικότητας μεταβαλλόταν συνεχώς. Και οι επιστήμονες δεν μπορούσαν πλέον να κάνουν προβλέψεις για το μέλλον ή ανακατασκευές του παρελθόντος ή να βασίζονται σε προηγούμενα πειράματα με απόλυτη σιγουριά. Αλλά η επιστήμη έχει και έναν άσο στο μανίκι της:Σε αντίθεση με τη φιλοσοφία, μπορεί να προσπαθήσει να μετρήσει αν αλλάζουν οι νόμοι της φύσης και οι σταθερές που παραμετροποιούν αυτούς τους νόμους.
Η σταθερά λεπτής δομής, α , είναι από τις πιο απανταχού και σημαντικές από τις θεμελιώδεις σταθερές της φύσης. Καθορίζει πόσο έντονα αλληλεπιδρούν το φως και η ύλη. Αν ήταν έστω και ελαφρώς διαφορετικό από τη σημερινή του τιμή που είναι περίπου 1/137, το σύμπαν θα έμοιαζε πραγματικά πολύ διαφορετικό - και σχεδόν σίγουρα θα ήταν αφιλόξενο για τη ζωή. Ενώ οι νόμοι της φυσικής επιτρέπουν στο α να ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου, λίγοι πίστευαν ότι πράγματι συμβαίνει. Δηλαδή, μέχρι το 1999, όταν οι επιστήμονες διεξήγαγαν μια ανάλυση του φωτός που έφτανε σε εμάς από πολύ φωτεινά, πολύ μακρινά αστροφυσικά αντικείμενα που ονομάζονται κβάζαρ.
Αυτή η ανάλυση εκμεταλλεύτηκε το γεγονός ότι τα άτομα κάθε στοιχείου απορροφούν ή εκπέμπουν κατά προτίμηση ορισμένα χρώματα φωτός με τρόπο που εξαρτάται άμεσα από την τιμή του α . Αυτές οι απορροφήσεις και οι εκπομπές μπορούν να θεωρηθούν ως φωτεινές ή σκοτεινές γραμμές όταν το φως διασπάται σε ένα φάσμα, όπως όταν ένα πρίσμα διασπά το λευκό φως σε ένα ουράνιο τόξο χρώματος. Καθώς το φως από τα κβάζαρ περνούσε μέσα από νέφη αερίου στο δρόμο του προς εμάς, ορισμένα άτομα στα νέφη αερίου αποτύπωσαν σκοτεινές γραμμές απορρόφησης στο φάσμα του φωτός, οι οποίες στη συνέχεια συγκρίθηκαν με τις ίδιες γραμμές ατομικής απορρόφησης που παράγονται και μετρήθηκαν σε εργαστήριο.
Προς έκπληξη των ερευνητών, όταν συνέκριναν τα φάσματα αυτού του αρχαίου φωτός με τα φάσματα που παράγονται στο εργαστήριο, βρήκαν μια ασυμφωνία:μια μικρή αναντιστοιχία στις γραμμές απορρόφησης. Αυτό υποδηλώνει ότι πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, όταν έγινε η απορρόφηση του φωτός κβάζαρ από ένα νέφος αερίου, α ήταν μικρότερο από ό,τι είναι τώρα κατά περίπου ένα μέρος στις 100.000. Με άλλα λόγια, α είχε ελαφρώς αυξηθεί τα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια.
Η δυνατότητα αλλαγής α ήταν μια βόμβα που έστειλε τους φυσικούς να αναζητούν συμπληρωματικές προσεγγίσεις που θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν ή να αντικρούσουν τα αστρονομικά ευρήματα χωρίς να βασίζονται στις ίδιες υποθέσεις για το αστροφυσικό περιβάλλον. Ευτυχώς για αυτούς, για να παρατηρήσουν πώς λειτουργούσε η φυσική πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, δεν χρειάζεται να κοιτάξετε το αρχαίο φως των αστεριών από τους ουρανούς - μπορείτε επίσης να κοιτάξετε το ίδιο το έδαφος κάτω από τα πόδια σας. Η Γη υπάρχει εδώ και περισσότερα από 4 δισεκατομμύρια χρόνια και τα αρχαία κοιτάσματα ορυκτών της προσφέρουν μια εναλλακτική καταγραφή διεργασιών που έλαβαν χώρα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Παραλλαγές στο α θα εκδηλωνόταν σε κυμαινόμενους ρυθμούς διάσπασης για διάφορα ραδιενεργά ισότοπα που βρίσκονται σε κοιτάσματα ορυκτών. Οι καλύτερες μετρήσεις προήλθαν από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα ηλικίας 1,8 δισεκατομμυρίων ετών που είχε ανακαλυφθεί τυχαία δεκαετίες νωρίτερα.
Το 1972, Γάλλοι πυρηνικοί επιστήμονες βρήκαν κάτι περίεργο σε δείγματα μεταλλεύματος ουρανίου από ορυχείο στην περιοχή Oklo της Γκαμπόν, στην Αφρική. Η αναλογία του ουρανίου-235 (το ισότοπο που χρησιμοποιείται στις πυρηνικές βόμβες και τους αντιδραστήρες) προς το ουράνιο-238 (το πιο κοινό ισότοπο ουρανίου) ήταν μικρότερο από αυτό που βρίσκεται συνήθως σε γεωλογικά κοιτάσματα. Αυτό ήταν αρκετά μπερδεμένο, καθώς, απουσία πρόσφατων ανθρώπινων δραστηριοτήτων, αυτή η αναλογία θα έπρεπε να εξαρτάται μόνο από το πόσο ουράνιο-235 υπήρχε στο αρχέγονο σύννεφο σκόνης από το οποίο σχηματίστηκε η Γη και ο χρόνος που πέρασε από τότε. Αναλύοντας τα πετρώματα Oklo με περισσότερες λεπτομέρειες, οι επιστήμονες τα βρήκαν επίσης γεμάτα με μια πλούσια σουίτα ραδιενεργών προϊόντων. Οι βράχοι είχαν φιλοξενήσει μια ισχυρή, διαρκή και αρχαία πυρηνική αντίδραση.
Πώς θα μπορούσε η φύση να έχει φτιάξει έναν πυρηνικό αντιδραστήρα στον φλοιό της Γης; Οι τεχνητοί αντιδραστήρες βασίζονται σε κάθε είδους υποδομή περιορισμού και ασφάλειας για την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας, αλλά, ουσιαστικά, το μόνο που χρειάζεται κανείς για μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση πυρηνικής σχάσης είναι ένα αρκετά μεγάλο δείγμα ουρανίου που περιέχει τουλάχιστον 3 τοις εκατό ουράνιο-235. Στη συνέχεια, απλώς προσθέστε νερό, το οποίο ενισχύει την πυρηνική αντίδραση συγκεντρώνοντας τα νετρόνια που παράγονται από τη ραδιενεργή διάσπαση του ουρανίου. Το σημερινό κλάσμα ουρανίου-235 είναι πολύ χαμηλό για να προκύψει αυθόρμητα ένας φυσικός πυρηνικός αντιδραστήρας - αλλά αυτό δεν συνέβαινε πάντα. Το ουράνιο-235 διασπάται γρηγορότερα από το ουράνιο-238, επομένως το κλάσμα του αυξάνεται καθώς πηγαίνουμε πίσω στο χρόνο. Στα 2 δισεκατομμύρια χρόνια στο παρελθόν, φτάνει σε ένα κρίσιμο όριο που επιτρέπει τη διατήρηση μιας πυρηνικής αντίδρασης.
Όταν λειτουργούσε, ο αντιδραστήρας Oklo παρήγαγε μεγάλες ποσότητες νετρονίων, μερικά από τα οποία διέφυγαν και συνελήφθησαν από ίχνη ισότοπων στον περιβάλλοντα βράχο—μια διαδικασία εξαιρετικά ευαίσθητη στην τιμή του α , η σταθερά της λεπτής δομής. Εξετάζοντας τις σχετικές ποσότητες διαφορετικών ισοτόπων που βρίσκονται στα κοιτάσματα Oklo σήμερα, οι επιστήμονες προσδιόρισαν την τιμή του α όταν ο αντιδραστήρας λειτουργούσε. Ήταν το ίδιο με σήμερα, μέσα σε ένα ορισμένο περιθώριο λάθους. Οι ουρανοί και η γη φαινόταν να μας λένε αντικρουόμενες ιστορίες για το μακρινό παρελθόν.
Αλλά τόσο τα αστρονομικά όσο και τα γεωλογικά πειράματα ήταν ακατάστατα με τον δικό τους τρόπο. Καθεμία εξαρτιόταν από μια σειρά από υποθέσεις για περιβάλλοντα πολύ μακριά από εμάς, είτε στο χώρο είτε στο χρόνο. Για να επιτύχουν μια πιο καθαρή μέτρηση, οι ερευνητές στράφηκαν σε ένα περιβάλλον που μπορούσαν να ελέγξουν πλήρως:το δικό τους εργαστήριο. Τα ατομικά φάσματα έχουν διαφορετικές (και, σε ορισμένες περιπτώσεις, πολύ διαφορετικές) ευαισθησίες στην τιμή του α . Μετρώντας αυτά τα φάσματα με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να μετρήσουν τη χρονική διακύμανση του α . Το ερώτημα είναι πόσο θα πρέπει να διαρκέσουν αυτές οι μετρήσεις για να είναι χρήσιμες;
Η απάντηση δεν είναι καθόλου μεγάλη. Η σύγχρονη φασματοσκοπία, η επιστήμη της μέτρησης των φασμάτων απορρόφησης και εκπομπής, είναι φανταστικά ακριβής. Είναι τόσο ακριβής που μια μέτρηση σε διάστημα μερικών μηνών ή ετών θα περιόριζε τον ρυθμό μεταβολής του α σε μεγαλύτερο βαθμό από τις μετρήσεις Oklo ή κβάζαρ. Αυτές οι εργαστηριακές μετρήσεις διαπίστωσαν ότι, τουλάχιστον για σήμερα, α δεν αλλάζει. Οι πιο ευαίσθητες από αυτές τις μετρήσεις έχουν καθορίσει ότι, εάν α αλλάζει, πρέπει να το κάνει λιγότερο από ένα μέρος στα 10 εκατομμύρια δισεκατομμύρια ετησίως. Με παρέκταση σε μεγαλύτερη χρονική περίοδο, που αντιστοιχεί σε ευαισθησία καλύτερη από ένα μέρος σε ένα εκατομμύριο για 10 δισεκατομμύρια χρόνια, η οποία είναι περίπου 10 φορές καλύτερη από την ευαισθησία που επιτεύχθηκε από τις αστρονομικές παρατηρήσεις του 1999 των κβάζαρ.
Λοιπόν, έχει κλείσει η υπόθεση; Τα δεδομένα του κβάζαρ ήταν κάπως ελαττωματικά και α αποδεδειγμένα διορθώνεται εγκαίρως; ΟΧΙ ακριβως. Πρώτα απ 'όλα, ενώ οι εργαστηριακές μετρήσεις αποκλείουν τις σημερινές αλλαγές στο α που είναι στην κλίμακα που προτείνουν τα δεδομένα κβάζαρ, δεν λένε τίποτα για την πιθανότητα α αλλάζει στο μακρινό παρελθόν—η χρονική περίοδος για την οποία είναι σχετικά τα δεδομένα κβάζαρ. Δεύτερον, νέα αστρονομικά δεδομένα περιέπλεξαν την εικόνα με απροσδόκητο τρόπο. Μια ανάλυση ενός πρόσφατα μετρημένου συνόλου φασμάτων κβάζαρ, που δημοσιεύτηκε το 2011 από την ίδια ομάδα που συνέταξε την αρχική εργασία του 1999, πρότεινε ότι α στο μακρινό παρελθόν ήταν ελαφρώς μεγαλύτερο από τη σημερινή αξία. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τις προηγούμενες αστρονομικές παρατηρήσεις ενός μικρότερου μακρινό παρελθόν α που περιγράφονται παραπάνω.
Βασίζεται μόνο σε αυτές τις αντικρουόμενες προηγούμενες τιμές του α , μπορεί κανείς να μπει στον πειρασμό να συμπεράνει ότι τα αστρονομικά αποτελέσματα είναι απλά αναξιόπιστα, αλλά η ιστορία είναι πιο λεπτή από αυτό. Οι παρατηρήσεις που απέδωσαν ένα μικρότερο παρελθόν α προήλθε από ένα τηλεσκόπιο που βρίσκεται στη Χαβάη, στο βόρειο ημισφαίριο, ενώ οι πιο πρόσφατες παρατηρήσεις που έδωσαν ένα μεγαλύτερο παρελθόν α προήλθε από ένα τηλεσκόπιο στη Χιλή, στο νότιο ημισφαίριο, έτσι τα δύο τηλεσκόπια έχουν εξετάσει ευρέως διαχωρισμένες κατευθύνσεις στον ουρανό. Μια συνδυασμένη ανάλυση όλων των δεδομένων υποδηλώνει ότι αντί για χρονική παραλλαγή του α , αυτές οι παρατηρήσεις βλέπουν μια χωρική παραλλαγή—την τιμή του α μεγαλώνει όσο πιο βαθιά κοιτάζει κανείς προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, ενώ μικραίνει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επειδή όσο πιο βαθιά κοιτάζετε στο διάστημα, όσο πιο πίσω βλέπετε στο χρόνο, η χωρική διακύμανση, εάν μελετηθεί μόνο προς μία κατεύθυνση, μιμείται μια χρονική παραλλαγή.
Η αναζήτηση μιας μεταβαλλόμενης σταθεράς λεπτής δομής αντικατοπτρίζει πόσο εξαιρετικά δύσκολο είναι να εξετάσουμε και να χαρακτηρίσουμε ένα σύμπαν που μπορεί να αλλάζει στο χρόνο στο πιο θεμελιώδες επίπεδό του. Επειδή κάνουμε πάντα μετρήσεις στο παρόν, οι ερμηνείες των δεδομένων πρέπει απαραίτητα να κάνουν κάποιες υποθέσεις καθώς προσπαθούμε να ξετυλιχτούμε από το υπόστρωμα στο οποίο υπάρχουμε και το οποίο προσπαθούμε επίσης να μετρήσουμε. Όποια κι αν είναι η απόλυτη αλήθεια για το α αποδεικνύεται ότι η ιστορία του γράφεται ακόμα.
Ο Igor Teper είναι φυσικός και συγγραφέας.
