Criza constantelor

Sintagma „legile naturii“ evoca un set de reguli imuabile, care transcend ideea de „aici si acum“, fiind valabile in orice moment si pretutindeni in Univers. Realitatea nu este insa nici pe departe atat de grandioasa. Cand ne referim la legile naturii, vorbim de fapt despre cateva idei, remarcabile in simplitatea lor, care par a fi universale si au fost verificate experimental. Totusi, cei care declara ca o teorie stiintifica are valoare de lege a naturii sunt si ei doar oameni…
O constanta este o marime fizica a carei valoare numerica este fixa, fapt esential pentru a calcula rezultatele unui experiment; trebuie sa cunosti valoarea respectiva, dar, in acelasi timp, nu poti folosi teorii cunoscute pentru a o calcula; ea trebuie sa fie stabilita in cadrul unui experiment.
In esenta, este de parere Michael Murphy, lector la Centre for Astrophysics & Supercomputing din cadrul Swinburne University of Technology, Australia, aceste valori sunt fundamentale, pentru ca oamenii de stiinta nu au habar de unde vin ele. „Pentru ca nimeni nu stie cum sa le calculeze si pentru ca oamenii de stiinta obtin, la capatul unor experimente diferite, realizate in momente si locuri diferite, valori identice, ei presupun ca ele sunt constante.“
In acest sens, oamenii de stiinta fac experimente in diferite locuri de pe planeta noastra de circa 100 de ani. Dar daca aceste constante sunt sau au fost diferite in alte locuri din Univers sau in alte epoci ale istoriei cosmice? se intreaba Murphy, convins ca un experiment ar trebui sa testeze „constanta“ acestor „constante“ tocmai in cazuri extreme. 
Constanta de structura fina, denumita alpha, este parametrul fundamental al electromagnetismului. Intrucat alpha determina forta interactiunii electromagnetice, ea joaca un rol absolut esential in activitatea atomilor si in felul in care acestia interactioneaza cu lumina.
Comparand valoarea acestei constante cu datele obtinute dintr-o indelungata studiere a quasarilor, mai multi cercetatori australieni, printre care Michael Murphy si John Webb, de la University of New South Wales, au ajuns la concluzia ca de fapt alpha nu este o constanta fundamentala, valoarea ei suferind modificari in decursul timpului. Asta inseamna ca forta electromagnetica avea alta intensitate in Universul timpuriu, fapt ce pune sub semnul intrebarii atat teoriile clasice cu privire la geneza Universului, cat si teoria relativitatii.
In ultima instanta, insa, schimbarile observate de cercetatori inseamna foarte putin pentru viata noastra de zi cu zi, pentru ca alpha nu s-ar fi putut modifica prea mult in decursul dezvoltarii umanitatii; „nu indeajuns incat atomii sa se rupa in bucati sau Soarele sa-si consume combustibilul intr-un ritm teribil de diferit“, precizeaza Murphy.
Din istorie, oamenii ar fi trebuit totusi sa invete o lectie, mai crede el. In secolul al XIX-lea, invitat la o demonstratie cu echipamentul electric pus la punct de Faraday, prim-ministrul britanic William Gladstone se spune ca ar fi comentat: „Este foarte interesant, domnule Faraday, dar care e valoarea practica a electricitatii?“ Iar Faraday ar fi replicat: „Intr-o buna zi, Sir, veti putea pune taxe pe ea.“ La fel, nici Murphy nu poate spune deocamdata ce implicatii ar putea avea descoperirea lui din punct de vedere practic, dar este gata sa puna pariu ca intr-o buna zi vom plati pentru ea. „La modul cat se poate de serios, rezultatele noastre au potentialul de a revolutiona felul in care intelegem Universul la toate nivelurile, de la cel subatomic la cel cosmic. Intreaga teorie moderna a fizicii pleaca de la premisa ca legile fizicii raman neschimbate in orice loc din Univers si in orice moment ne-am afla.“
Fizicienii dispun de ceea ce se numeste un model-standard al Universului, care le permite sa dea o explicatie oricarui fenomen observat. Acest model-standard nu poate insa explica variatiile constantelor, motiv pentru care, precizeaza Murphy, daca rezultatele recent obtinute sunt corecte, instrumentul cu pricina va trebui sa intre si el intr-o „revizie generala“. 
O alta problema o constituie dificultatea de a identifica fara umbra de indoiala constanta care variaza. In cadrul unui experiment, este greu de spus daca variabila este „c“ (viteza luminii) sau „e“ (sarcina unui electron), pentru ca aceste cantitati sunt masurate intotdeauna in unitati arbitrare, precum metri, kilograme, secunde, explica fizicianul, in opinia caruia in literatura de specialitate s-a creat chiar o anumita confuzie in acest sens.
Exista de-acum teorii bine definite, numite Varying Speed of Light (VSL) si Varying Electric Charge (VEC); daca, in teoriile VSL, cea considerata variabila este viteza luminii, faptul e unul convenabil din punct de vedere matematic: oamenii de stiinta pot transforma cu usurinta orice teorie a vitezei variabile a luminii intr-o teorie a sarcinii electrice variabile. „Singurul motiv pentru care alege cineva sa eticheteze o anumita teorie VSL sau VEC este acela ca respectiva teorie ar putea parea mai simpla (matematic sau intuitiv) daca se ia in considerare una dintre constante ca fiind variabila.“
O expresie faimoasa printre oamenii de stiinta spune ca „o ipoteza remarcabila necesita dovezi remarcabile“. Ceea ce pretind Murphy et Comp. este spectaculos, dar probele obtinute pana in prezent, desi „very strong“, nu sunt nici chiar pentru ei indeajuns de „extraordinary“. Nimeni nu ar trebui sa ia de buna teoria constantelor variabile pana cand alte tipuri de experimente o vor confirma, este de parere insusi Murphy.
Suspectii de serviciu

Prima constanta fundamentala care a starnit suspiciunea oamenilor de stiinta a fost cea gravitationala, G-ul, cum este ea denumita in argoul fizicienilor. In 1937, fizicianul britanic Paul Dirac (castigator al unui Premiu Nobel) a avansat ipoteza conform careia forta gravitationala ar slabi cu trecerea timpului. O teorie primita initial cu destul de putin interes si in fata careia primele reactii au constat in principal in studii cu privire la posibilele efecte asupra stelelor si galaxiilor. Nimeni nu a investigat eventualele consecinte pentru Pamant pana in 1948 cand, folosind argumente simple, parintele bombei cu hidrogen, Edward Teller, a comentat ca, daca forta gravitationala ar fi fost cu adevarat mai puternica in trecut, efectul pe care l-ar fi produs asupra Pamantului cu greu s-ar putea potrivi cu dovezile geologice cunoscute.

• Inima celei mai vulcanice lumi din Sistemul Solar este mai solidă decât s-a crezut
• De Crăciun au loc mai multe atacuri de cord decât în oricare altă zi din an

Costanta gravitationala G, cea a lui Isaac Newton, descrie asadar forta de atractie gravitationala pe care corpurile o exercita unul asupra celuilalt. Pentru particule ca protonii, neutronii si electronii, aceasta forta depinde de masa lor, in timp ce in cazul luminii – al fotonilor –, depinde de energie. In modelele conventionale, constanta este identica atat pentru particulele de materie, cat si pentru fotoni. In 2004, insa, John Barrow de la Cambridge University, Marea Britanie, si Robert Scherrer de la Vanderbilt University din Nashville, Statele Unite, s-au intrebat ce s-ar intampla daca aceasta constanta ar fi diferita pentru materie si lumina. Spre surprinderea lor, fizicienii au descoperit ca, schimband constanta gravitationala intr-un model pe computer, nu se observau contradictii in dezvoltarea Universului primordial. Daca pentru fotoni G-ul ar avea o valoare mai mica decat pentru protoni si neutroni, modelul ar explica de ce heliul pare a fi fost mai putin abundent in primele momente ale Universului decat spun teoriile.

Fantastica lumina

Despre Cosmos, unii cred ca este opera unui arhitect genial, care a fixat constantele fundamentale exact la valorile perfecte. Nu s-ar pune insa problema unei astfel de actiuni „dumnezeiesti“ in cazul in care constantele ar suferi intr-adevar modificari in decursul timpului. „Faptul ca legile fizicii se afla intr-un acord perfect cu viata reprezinta o dovada impresionanta ca aceste constante se pot schimba“, considera profesorul Paul Davies de la State University of Arizona, autorul cartii The Goldilocks Enigma, in care examineaza misterul felului in care Universul s-a nimerit a fi atat de propice vietii. „Ori o inteligenta superioara si-a facut de cap cu fizica, ori Universul isi alcatuieste intr-un fel sau altul propriul mediu biologic prietenos. Si poate face acest lucru doar daca legile nu trebuie sa fie ceea ce sunt acum.“

Davies nu este nici primul si nici singurul care vede beneficii in inconstanta constantelor. In 1993, specialistul in cosmologie John Moffat, de la University of Toronto, declara ca multe dintre enigmele Universului ar putea fi elucidate daca viteza luminii (c) ar fi fost la un anumit moment dat cu mult mai ridicata. Studii ale radiatiei reziduale a Big Bang-ului demonstreaza ca aceasta este remarcabil de uniforma, ceea ce este uimitor tinand cont de haosul exploziei generate de Big Bang. Moffat arata ca acest lucru ar putea fi explicat daca radiatia ar fi calatorit prin Universul timpuriu cu o viteza mult mai mare decat cea a luminii de astazi, facand astfel ca si regiunile separate prin distante mari sa se uniformizeze. Ideea lui Moffat a fost redescoperita in mod independent cativa ani mai tarziu si de alti cercetatori, printre care Joao Magueijo, conferentiar la Imperial College din Londra, autorul controversatei Faster Than the Speed of Light: The Story of a Scientific Speculation, publicata in 2003. Totul e posibil pana la proba contrarie: in opinia lui Magueijo, ca orice alta ipoteza stiin­tifica, in cele din urma nici constanta c nu este o dogma; toate teoriile sunt susceptibile de a fi revizuite, in lumina unor solide dovezi experimentale.

Facts – Ce s-ar intampla daca…

…forta gravitationala, asa cum este ea masurata de constanta fundamentala G, ar slabi cu adevarat? Ar insemna ca si atractia pe care Soarele o exercita asupra Pamantului s-ar reduce considerabil.
Un calcul simplu arata ca daca, in urma cu 500 de milioane de ani, forta gravitationala ar fi fost cu 10% mai puternica decat in prezent, Pamantul ar fi fost si el mai aproape de Soare cu circa 10%. Cantitatea de energie radianta care ne loveste planeta ar fi mai intensa cu peste 20%, din moment ce depinde de patratul distantei pana la Pamant.

…efectul randamentului crescut al Soarelui s-ar combina cu cel al unei orbite mai mici a Pamantului? Ei, bine, ar rezulta o crestere substantiala a temperaturii de pe suprafata planetei noastre. O estimare aproximativa ce sugereaza ca atmosfera Pamantului nu se schimba, in replica la ipotezele pe care le-au gene­rat temperaturile ridicate din ultima vreme, sugereaza ca, in urma cu 600 de milioane de ani, oceanele ar fi fost mai fierbinti decat punctul de fierbere a apei – o concluzie contrazisa de dovezile fosile. Desi este posibil si ca un anume efect subtil sa fi protejat Pamantul.

Facts – o constanta inconstanta

Schimbari ale fortei gravitationale ar afecta chiar si Soarele, iar posibilele consecinte pentru Pamant ar fi dintre cele mai serioase. Studii centrate pe procesele fuziunii nucleare care ne alimenteaza astrul arata ca acestea sunt extrem de sensibile la gravitatie – o crestere cu doar 10% a G-ului ar produce o dublare a luminozitatii. Ca atare, daca gravitatia ar fi fost cu 10% mai puternica in trecut, Soarele ar pompa o cantitate dubla de energie, crescand si mai mult temperatura Pamantului.

In timpul aselenizarilor reusite de navetele Apollo, oglinzi speciale au fost amplasate pe Luna. De-atunci, astronomii au cronometrat drumul inapoi al fasciculelor laser „trase“ din diferite colturi ale lumii.
Ele identifica distanta dintre Pamant si Luna cu o precizie de cativa centimetri si releva daca aceasta se schimba.
Dupa mai mult de 30 de ani de masuratori, datele arata ca, desi Luna si Pamantul se indeparteaza din ce in ce mai tare, forta gravitationala ramane constanta.

Alpha la proba reactorului

De la analiza luminii galaxiilor indepartate si pana la inregistrarile eclipselor solare antice, oamenii de stiinta au cautat peste tot dovezi ale schimbarilor constantelor fundamentale ale naturii. Cunoscute sub numele de Oklo Fossil Reactors, reactoarele nucleare naturale care „fierb“ in Gabon au fost descoperite in 1972 de catre un grup de cercetatori francezi, care au observat niveluri ciudate de izotopi la mina de uraniu din sud-estul tarii africane. Roca in care se afla elementul radioactiv sufera o reactie in lant, apa de ploaie tinand aceasta reactie sub control. Procesul a inceput in urma cu aproximativ 1,7 miliarde de ani, producand deseuri radioactive naturale, tinute sub pamant de geologii locali. Oamenii de stiinta au realizat ca longevitatea reactoarelor Oklo ar putea ajuta la identificarea schimbarilor la nivelul constantei fundamentale alpha, care afecteaza gradul de dezintegrare radioactiva.
La inceputul acestui an, o echipa condusa de Chris Gould, de la Univer­sitatea North Carolina din Statele Unite, s-a folosit de astfel de masuratori pentru a descoperi even­tuale schimbari ale constantei alpha de-a lungul a circa doua miliarde de ani. Evaluarile nu au dat la iveala nici o modificare reala a constantei de-a lungul vremii.

Dr. Nicolae-Alexandru P. Nicorovici, senior physicist la Universitatea de Tehnologie din Sydney, Australia
Despre constantele fundamentale se pot spune multe. In primul rand, trebuie sa tinem cont de precizia cu care au fost ele masurate, pentru ca tehnologia avanseaza, iar masuratorile devin tot mai exacte. Lucrurile se complica in cazul constantelor „compuse“, cum este constanta de structura fina, care depinde de masa electronului, de viteza luminii si de constanta lui Plank. Evaluarea unei astfel de constante depinde de precizia cu care au fost determinate componentele. Personal, nu sunt convins ca exista constante, ci doar marimi fizice cu variatie extrem de lenta in timp. De fapt, ceea ce numim constanta (c) se refera la propagarea luminii in vid. In orice alt mediu, lumina se propaga cu viteza mai mica.

Un domeniu recent este studiul propagarii luminii in metamateriale, unde apar fenomene cu totul noi, ca de pilda refractia negativa, „fast“ and „slow“ light etc. Aceste doua caracteristici (fast & slow) ar putea inregistra un puternic impact in tehnica, avand in vedere faptul ca in prezent se lucreaza intens la accelerarea/franarea luminii. E ceva total diferit de „modularea propagarii luminii“, care se face cu cristale fotonice.