Nouă limită impusă constantei fizice

Una dintre constantele fundamentale ale fizicii tocmai a devenit puțin mai constantă.

Fizicienii au impus cea mai strictă limită de până acum asupra cât de mult s-ar putea schimba constanta structurii fine – care determină cât de puternic interacționează obiectele încărcate electric – s-ar putea schimba odată cu densitatea materiei din apropiere. Metoda echipei de măsurare a constantei poate ajuta oamenii de știință să verifice dacă valoarea a rămas constantă pe durata de viață a universului.

Constanta de structură fină, cunoscută și sub numele de alfa, a fost mult timp atât esențială, cât și derută pentru fizicieni. A fost introdus în 1916 pentru a descrie puterea forței electromagnetice, care guvernează modul în care obiectele încărcate interacționează și modul în care se formează moleculele. De acolo, constanta și-a făcut loc în ecuații importante de mecanică cuantică. „Apare tot timpul în toate teoriile noastre”, spune Michael Tarbutt, un fizician al Imperial College London care a condus studiul.

Cu toate acestea, fizicienii nu cunosc niciun motiv fundamental pentru care alfa are valoarea pe care o are. Ei știu doar că, dacă ar fi mult mai mare sau mai mic, moleculele complexe nu s-ar putea forma. Și alfa poate să nu fie o constantă adevărată. Unele teorii recente despre originile energiei întunecate – câmpul misterios de energie respingătoare care pare să pătrundă în univers – sugerează că valoarea alfa ar putea varia în funcție de cât de multă materie este în apropiere.

Pentru a investiga această posibilitate, Tarbutt și echipa sa au măsurat alfa atât pe Pământ, cât și în spațiul interstelar, unde densitatea materiei este mult mai mică. Pentru a face acest lucru, au măsurat frecvența luminii necesară pentru a schimba energia unui electron într-un anumit mod într-o moleculă numită CH, care este compusă dintr-un atom de carbon și un atom de hidrogen. Cercetătorii au ales să măsoare această frecvență, deoarece ar trebui să varieze sensibil cu orice modificare a alfa.

Datele astronomice existente despre norii de gaz interstelari din Calea Lactee, unde CH este abundent, au furnizat frecvența în spațiul profund. Pentru măsurarea Pământului, oamenii de știință au produs CH în mod normal instabil în laborator la temperaturi ultrareci. Apoi au pus moleculele de CH într-o cavitate și le-au bombardat cu impulsuri de microunde pentru a forța unii dintre electronii moleculelor să sară la o energie mai mare. Oamenii de știință au măsurat apoi frecvența luminii emise pe măsură ce electronii revin la o energie mai mică.

Oamenii de știință raportează 15 octombrie în Comunicarea naturii că, pe baza măsurătorilor lor, alfa nu poate varia între Pământ și spațiul interstelar cu mai mult de 1,4 părți la 10 milioane. Deși nu este o dovadă că alfa este același peste tot, rezultatul este cea mai strictă limită de până acum a dependenței constantei de densitatea locală a materiei.

Cu măsurătorile sale precise de laborator, echipa lui Tarbutt a obținut un „rezultat remarcabil”, spune Wim Ubachs, fizician la Vrije Universiteit Amsterdam, care studiază constantele fundamentale. Cu toate acestea, spune Ubachs, pentru a investiga dacă alfa s-a schimbat de la primele zile ale universului, ceea ce sugerează unele teorii, cercetătorii au nevoie de date similare de la molecule de gaz aflate în afara propriei noastre galaxii, de preferință de cealaltă parte a universului.

Astfel de date ar trebui să devină accesibile cu telescoape noi, cum ar fi Very Large Array din New Mexico și Square Kilometer Array care va fi construit în Africa de Sud și Australia, spune Tarbutt. „Acesta este unul dintre lucrurile de care suntem destul de încântați.”