Ar fizikos konstantos iš tiesų yra pastovios?

Kartais mokslininko darbas prasideda nuo klausimo, kuris iš pirmo žvilgsnio atrodo beveik per daug paprastas. Kodėl elektronas visur turi tą pačią masę? Kodėl šviesa vakuume sklinda tuo pačiu greičiu, kad ir kurioje Visatos vietoje ją stebėtume? O jeigu labai tolimos galaktikos, ankstyvoji Visata ar ekstremalios žvaigždės slepia mažytį neatitikimą, kurio dar nepastebėjome?

Kas apskritai vadinama fizikos konstanta

Fizikos konstantos – tai dydžiai, kurie teorijose laikomi nekintamais ir naudojami gamtos dėsniams aprašyti. Tarp žinomiausių yra šviesos greitis vakuume, Plancko konstanta, gravitacinė konstanta, elektrono masė ir elementarusis krūvis.

Kai kurios iš jų šiuolaikinėje Tarptautinėje vienetų sistemoje yra ne tik išmatuotos, bet ir tiksliai apibrėžtos. Pavyzdžiui, šviesos greitis vakuume lygus tiksliai 299 792 458 metrams per sekundę. Nuo 2019 metų SI sistemos vienetai grindžiami keliomis tiksliai nustatytomis fundamentaliomis konstantomis. Tai reiškia, kad metras apibrėžiamas per šviesos nueinamą atstumą, o ne atvirkščiai.

Tačiau čia slypi svarbus niuansas. Tiksliai apibrėžta konstanta nebūtinai reiškia, kad pati gamta galėtų jos reikšmę pakeisti. Tai – matavimo sistemos susitarimas. Mokslininkai pasirinko tam tikras reikšmes, kad vienetai būtų stabilūs ir atkuriami bet kurioje laboratorijoje.

Kitų konstantų, pavyzdžiui, gravitacinės konstantos, reikšmė nustatoma eksperimentais. Ji matuojama sudėtingais bandymais, tačiau jos vertė vis dar žinoma mažesniu tikslumu nei kai kurių kitų fundamentalių dydžių. Tai nereiškia, kad ji būtinai kinta. Dažniausiai tai rodo, jog ją sunku išmatuoti.

Kodėl mokslininkai apskritai ieško pokyčių

Įprastas fizikos modelis remiasi prielaida, kad tos pačios taisyklės galioja visur ir visada. Jei elektronas vienoje galaktikoje turėtų kitokią masę arba elektromagnetinė sąveika tolimoje Visatoje būtų šiek tiek stipresnė, tai paveiktų atomų energijos lygius, žvaigždžių raidą ir net cheminių elementų susidarymą.

Dėl šios priežasties astronomai gali tirti labai seną Visatos šviesą. Tolimų galaktikų spektruose matomos atomų sugerties ir spinduliavimo linijos. Jų padėtis priklauso nuo fundamentalių fizikinių dydžių. Jei šios linijos būtų pasislinkusios ne vien dėl įprasto Visatos plėtimosi, tai galėtų reikšti, kad praeityje kai kurios konstantos buvo kitokios.

Vienas dažniausiai nagrinėjamų dydžių yra smulkiosios struktūros konstanta. Ji apibūdina elektromagnetinės sąveikos stiprumą ir yra bedimensė, todėl jos reikšmė nepriklauso nuo to, ar naudojame metrus, pėdas, sekundes ar kitus vienetus. Būtent tokie dydžiai yra ypač svarbūs kalbant apie galimą konstantų kitimą.

Mokslininkai taip pat analizuoja kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę, senovinių žvaigždžių šviesą, branduolinių reakcijų pėdsakus ir natūralius reiškinius Žemėje. Garsus pavyzdys – Oklo gamtinis branduolinis reaktorius Gabone, veikęs maždaug prieš du milijardus metų. Jo liekanos leidžia tikrinti, ar tuo metu branduolinės sąveikos savybės buvo tokios pačios kaip šiandien.

Ką rodo dabartiniai stebėjimai

Kol kas patikimų įrodymų, kad fundamentalių konstantų reikšmės iš tiesų sistemingai keistųsi, nėra. Daugybė matavimų rodo, kad jos išlieka nepaprastai stabilios per milijardus metų ir didžiuliuose kosminiuose atstumuose.

Vis dėlto mokslinė istorija neapsiriboja vien patogiu atsakymu „niekas nesikeičia“. Kai kurie stebėjimai yra sukėlę diskusijų. Pavyzdžiui, skirtingos galaktikų spektro analizės grupės yra skelbusios galimų smulkiosios struktūros konstantos pokyčių užuominų. Tačiau tokie rezultatai dažnai priklauso nuo teleskopų kalibravimo, duomenų atrankos ir sudėtingų statistinių modelių. Vėlesni tyrimai ne visada juos patvirtina.

Tai viena iš priežasčių, kodėl fizikoje nepakanka vieno netikėto signalo. Reikia nepriklausomų stebėjimų, skirtingų instrumentų ir metodų. Jei konstanta tikrai kistų, jos poveikis turėtų būti pastebimas įvairiuose reiškiniuose, o ne tik vienoje duomenų grupėje.

Laboratorijose tokie bandymai vykdomi stebint itin tikslius atominius laikrodžius. Skirtingų rūšių laikrodžiai reaguotų nevienodai, jei laikui bėgant keistųsi tam tikros fundamentalių sąveikų savybės. Kol kas eksperimentai nustato tik labai griežtas galimų pokyčių ribas – jei jie egzistuoja, yra tokie maži, kad kasdienėje fizikoje jų neįmanoma pastebėti.

Ką tai reikštų, jei pokytis būtų aptiktas

Konstantų kitimas sujudintų ne vien vieną fizikos sritį. Tai reikštų, kad dabartinis standartinis modelis yra tik platesnės teorijos dalis. Reikėtų aiškinti, kas lemia konstantų reikšmes ir kodėl jos iki šiol atrodo vienodos.

Kai kurie teoriniai modeliai numato papildomus laukus, galinčius sąveikauti su įprasta medžiaga ir lėtai keisti fundamentalių dydžių reikšmes. Tokie laukai kartais siejami su tamsiąja energija, tamsiąja medžiaga ar papildomais Visatos matmenimis. Tačiau kol kas tai – hipotezės, o ne eksperimentiškai patvirtinti faktai.

Svarbu ir tai, kad ne kiekvienas dydis gali „kisti“ prasminga fizine prasme. Mūsų naudojami vienetai yra sutartiniai, todėl tikras klausimas turėtų būti ne ar pasikeitė skaičius formulėje, o ar pasikeitė bedimensiai santykiai, kuriuos galima palyginti nepriklausomai nuo matavimo sistemos. Jei pasikeistų smulkiosios struktūros konstanta, tai būtų tikras fizinis pokytis. Jei pasikeistų vien skaitinė reikšmė dėl kitokių vienetų pasirinkimo, gamtoje niekas dėl to nepasikeistų.

Kol kas Visata elgiasi taip, tarsi jos pagrindinės taisyklės būtų nepaprastai pastovios. Tačiau būtent todėl mokslininkai ir toliau ieško mažiausių neatitikimų – ne todėl, kad dabartinis supratimas žlugtų, o todėl, kad net menkas nukrypimas galėtų parodyti kelią į gilesnę fizikos teoriją.