Πόσο σταθερές είναι οι «παγκόσμιες σταθερές»;

Η παρατήρηση ότι ορισμένες από τις «παγκόσμιες σταθερές» δεν έχουν τελικά δεδομένη τιμή έχει τεράστιο αντίκτυπο στην αντίληψή μας για τον κόσμο. Μπορεί ακόμη και να σημαίνει ότι είμαστε πιο «μόνοι» στο Σύμπαν από ό,τι νομίζουμε...

Αν η τιμή της α στον μακρινό αυτόν γαλαξία είναι μαγαλύτερη από όσο πιστεύαμε ως τώρα, τότε θα πρέπει να ξεχάσουμε τη δυνατότητα ύπαρξης ζωής εκεί

​

Το γενικά αποδεκτό οικοδόμημα της Φυσικής σήμερα βασίζεται στην ύπαρξη ορισμένων σταθερών ποσοτήτων, οι οποίες ονομάζονται «φυσικές σταθερές». Τέτοια φυσική σταθερά, για παράδειγμα, είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, η οποία οι περισσότεροι γνωρίζουμε ότι ισούται με 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Τα αποτελέσματα ορισμένων πειραμάτων όμως φαίνεται να δείχνουν ότι μερικές από αυτές τις «φυσικές σταθερές» δεν είναι και τόσο σταθερές. Τα τελευταία αποτελέσματα μιας ομάδας αυστραλών φυσικών, οι οποίοι ασχολούνται για πολλά χρόνια με μετρήσεις αυτού του είδους, καταλήγουν σε ένα πραγματικά απίστευτο συμπέρασμα: η τιμή της βασικότερης από όλες τις σταθερές της Φυσικής, αυτής που ονομάζεται σταθερά λεπτής υφής, εξαρτάται από την περιοχή του Σύμπαντος στην οποία κάνουμε τη μέτρηση. 

Η σταθερά λεπτής υφής 
Από όλες τις σταθερές της Φυσικής, εκείνη που έχει προβληματίσει περισσότερο τους επιστήμονες είναι η σταθερά λεπτής υφής, την οποία εισήγαγε το 1916 ο γερμανός νομπελίστας Ζόμερφελντ (Αrnold Sommerfeld, 1868-1951) για να ερμηνεύσει τη λεπτομερή δομή των φασμάτων των διαφόρων στοιχείων. Στη θεωρία του Ζόμερφελντ η σταθερά αυτή συμβολιζόταν με το ελληνικό γράμμα άλφα και ήταν ίση με το πηλίκο της ταχύτητας του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου, διαιρεμένη με την ταχύτητα του φωτός. Από τότε η σύγχρονη Κβαντομηχανική έχει ξεπεράσει την αρχική θεωρία του Ζόμερφελντ, όμως ησταθερά λεπτής υφής α εξακολουθεί να αποτελεί βασική σταθερά της Φυσικής και να έχει την ίδια αριθμητική τιμή, ίση περίπου με 1/137. Η διαφορά είναι ότι τώρα την ορίζουμε με τη σχέση α = e 2/2 πhc, όπου e είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου, h η σταθερά του Πλανκ, c η ταχύτητα του φωτός και π = 3,14. Τι το ιδιαίτερο έχει αυτή η σταθερά, που την κάνει να ξεχωρίζει από τις υπόλοιπες σταθερές της Φυσικής; Η απάντηση είναι πολύ απλή: η σταθερά αυτή δεν έχει μονάδες, είναι δηλαδή αυτό που λέμε καθαρός αριθμός. Με άλλα λόγια η τιμή της δεν αλλάζει οποιοδήποτε σύστημα μονάδων και αν χρησιμοποιούμε για να μετρήσουμε τις αποστάσεις, τον χρόνο και το φορτίο. Ο διάσημος αμερικανός νομπελίστας Ρίτσαρντ Φάινμαν είχε κάποτε γράψει για τη σταθερά λεπτής υφής πως «το μόνο που μπορούμε να πούμε για αυτήν είναι ότι την έγραψε το χέρι του Θεού,και δεν γνωρίζουμε καν πώς χειρίστηκε το μολύβι του!». Εξαρτημένη από τη... θέση! 
Επειδή η τιμή της σταθεράς λεπτής υφής δεν εξαρτάται από το σύστημα μονάδων που χρησιμοποιούμε όταν εκτελούμε ένα πείραμα για να τη μετρήσουμε, η διαπίστωση ότι έχει μεταβλητή τιμή σημαίνει αυτό ακριβώς που καταλαβαίνει και ο μη ειδικός. Αντίθετα, αν για παράδειγμα μετρήσουμε την ταχύτητα του φωτός χθες και σήμερα, και διαπιστώσουμε ότι είναι διαφορετική τις δύο ημέρες, μπορεί να σημαίνει ότι άλλαξε όντως η τιμή αλλά μπορεί και να σημαίνει, π.χ., είτε ότι έχει αλλάξει ο ρυθμός με τον οποίο κυλάει ο χρόνος είτε ότι έχει αλλάξει το μήκος του «χάρακα» με τον οποίο μετράμε τις αποστάσεις. Αυτός είναι ο λόγος που η ομάδα του αυστραλού φυσικού Τζον Γουέμπ (John Webb) ασχολείται για περισσότερο από δέκα χρόνια με την όσο το δυνατόν πιο ακριβή μέτρηση της τιμής αυτής της σταθεράς. Η μέθοδος της ομάδας βασίζεται στη μέτρηση του μήκους κύματος των φασματικών γραμμών διάφορων στοιχείων σε μακρινούς γαλαξίες. Επειδή το μήκος κύματος των φασματικών γραμμών εξαρτάται από την τιμή της σταθεράς α, αν διαπιστωθεί ότι αλλάζει μεταξύ των κοντινών και των μακρινών γαλαξιών και αποκλείσουμε όλες τις πηγές πειραματικών σφαλμάτων, μπορούμε να καταλήξουμε με βεβαιότητα ότι η «σταθερά» α δεν είναι σταθερά! 

Η αυστραλέζικη ομάδα είχε διαπιστώσει από τις αρχές της δεκαετίας του 2000 μετρήσιμες μεταβολές του α μεταξύ κοντινών και απομακρυσμένων γαλαξιών. Ωστόσο, επειδή όταν παρατηρούμε μακρινούς γαλαξίες τους βλέπουμε όπως ήταν στο παρελθόν, δεν ήταν δυνατό να διαπιστωθεί αν οι μεταβολές ήταν χωρικές ή χρονικές, δηλαδή αν η τιμή του α αλλάζει με τον χρόνο ή με τη θέση στο Σύμπαν. Για να εντοπίσουν τι από τα δύο συμβαίνει, ο Τζον Γουέμπ και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν παρατηρήσεις γαλαξιών από δύο διαφορετικά τηλεσκόπια, το αμερικανικό τηλεσκόπιο Κeck στη Χαβάη (που παρατηρεί το βόρειο ημισφαίριο του ουρανού) και το ευρωπαϊκό τηλεσκόπιο VLΤ στη Χιλή (που παρατηρεί το νότιο). Το πρόσφατο αποτέλεσμα της ομάδας, το οποίο ανακοινώθηκε στο εφετινό πανευρωπαϊκό συνέδριο Αστρονομίας που έγινε τον περασμένο Σεπτέμβριο στη Λισαβόνα, είναι ότι η τιμή της σταθεράς λεπτής υφής εξαρτάται από τη θέση. Ζωή μόνο εκεί όπου το α έχει σωστή τιμή 
Αν το επαναστατικό αυτό συμπέρασμα επιβεβαιωθεί με νεότερα πειράματα, θα υπάρξουν σημαντικότατες συνέπειες όχι μόνο στη Φυσική γενικά, αφού οι ποσότητες που θεωρούμε παγκόσμιες σταθερές στην πραγματικότητα δεν είναι, αλλά και σε ένα θέμα που απασχολεί τον μέσο πολίτη, δηλαδή την πιθανότητα ύπαρξης ζωής σε άλλους πλανήτες. Ο λόγος είναι ότι η ύπαρξη των απαραίτητων συνθηκών για την εμφάνιση ζωής εξαρτάται με πολύ ευαίσθητο τρόπο από τις τιμές των βασικών σταθερών της Φυσικής. Ειδικότερα είναι γνωστό ότι κατά τη Μεγάλη Εκρηξη δημιουργήθηκαν μόνο υδρογόνο και ήλιο. Ολα τα άλλα βαρύτερα στοιχεία, όπως είναι για παράδειγμα ο άνθρακας, το οξυγόνο και το άζωτο, δημιουργούνται στους πυρήνες των αστέρων και η δημιουργία τους εξαρτάται από την τιμή της σταθεράς της λεπτής υφής. Αν η τιμή του α ήταν μεγαλύτερη μόνο κατά 4%, τότε δεν θα ήταν δυνατή η παραγωγή του άνθρακα, οπότε δεν θα υπήρχε στο Σύμπαν το χημικό στοιχείο που σήμερα γνωρίζουμε ότι αποτελεί το βασικό συστατικό όλων των έμβιων όντων στη Γη. Επομένως, αν η τιμή της σταθεράς λεπτής υφής εξαρτάται όντως από τη θέση στο Σύμπαν, τότε η ανάπτυξη ζωής θα είναι δυνατή μόνο σε εκείνες τις περιοχές όπου το α έχει τη «σωστή» τιμή, και άρα η ύπαρξη ζωής στο Σύμπαν ίσως να είναι πολύ πιο σπάνια από όση υπολογίζεται με την κλασική υπόθεση των «σταθερών» σταθερών. 

Τι συμβαίνει με τις άλλες σταθερές; 
Κατά καιρούς έχουν προταθεί θεωρίες που υποθέτουν μεταβλητές τις τιμές και άλλων φυσικών σταθερών, όπως είναι για παράδειγμα η τιμή της ταχύτητας του φωτός ή της παγκόσμιας σταθεράς της βαρύτητας. Μία από αυτές της πρώτης ομάδας, μάλιστα, έχει προταθεί από τον έλληνα φυσικό Δημήτρη Νανόπουλο. Ωστόσο ως σήμερα δεν έχουν υπάρξει σημαντικά πειραματικά δεδομένα που να επιβεβαιώνουν τέτοιου είδους μεταβολές. 

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.