
Constanta structurii fine variaza in timp si spatiu
Constanta structurii fine, numita si constanta Sommerfeld sau constanta de cuplare electromagnetica, este una dintre constantele fizice fundamentale care caracterizeaza puterea interactiunii electromagnetice dintre particulele atomice incarcate electric.
Numele acestei constante a fost inventat de fizicianul Arnold Sommerfeld, care a extins modelul atomic al lui Bohr cu motivatia de a explica liniile fine de structura observate in spectrele de hidrogen, pe care modelele anterioare nu au reusit sa le explice in mod satisfacator.
Constantele fizice sunt in general de doua tipuri: unele care au o unitate adecvata asociata cu ele si altele care sunt adimensionale. Constanta structurii fine este adimensionala si este exprimata printr-un numar, care este egal cu aproximativ 1/137.
Fizicienii au estimat ca valorile constantelor fundamentale au un reglaj foarte fin. In acest sens, constanta structurii fine nu este diferita. Orice abatere minora a valorii sale numerice ar fi rezultat intr-un univers, cu mult diferit fata de cum este in prezent.
Printre consecintele pe care le-ar fi putut avea se pot enumera urmatoarele: dimensiunea atomica ar fi fost modificata, sistemele stelare si procesele lor ar fi functionat destul de diferit si, posibil, nu ar fi existat o viata inteligenta prezenta.
Cu toate acestea, exista dovezi care indica faptul ca acesata constanta a structurii fine nu este deloc o constanta, ci are valori diferite!
Desi conceptul ridica provocari pentru notiunile noastre preconcepute despre univers, el rezolva unele intrebari importante de interes astrofizic.
Tehnici de masurare pentru constanta structurii fine
Revenind la tehnicile de masurare, exista diverse metode de masurare pentru constanta structurii fine.
Abordarile teoretice ale campului cuantic precum QED permit masurarea acestei constante folosind efectul cuantic Hall sau folosind momentul magnetic anormal al electronului.
Alte metode includ interferometria atomica si efectele Josephson.
O notiune comuna in toate metodele conventionale este ca, pentru a estima o valoare precisa a constantei structurii fine, trebuie masurate si alte cantitati fizice asociate cu aceasta, deoarece fiecare metoda ar genera o definitie diferita. Cu alte cuvinte, sunt tehnici indirecte.
Recent, insa, fizicienii de la TU Wien au efectuat un experiment in care au dezvaluit direct valoarea pentru constanta structurii fine!
Cercetarea a fost publicata in revista Applied Physics Letters. Pentru a descrie pe scurt experimentul, acesta implica un fascicul laser incident pe o pelicula subtire speciala care poate schimba directia de polarizare a luminii.
Andrei Pimenov, coautor al studiului explica: „Un material care roteste polarizarea unui fascicul laser nu este, in sine, nimic neobisnuit. Diferite materiale pot face acest lucru; cu cat materialul este mai gros, cu atat polarizarea laserului se roteste mai mult.
Dar aici avem de-a face cu un efect complet diferit. In cazul nostru, polarizarea nu este rotita continuu, ci sare.”
Cand cercetatorii au calculat marimea acestui salt cuantic, au descoperit ca acest cuantum al modificarii unghiulare a fost exact egal cu constanta structurii fine. Astfel, prin afisarea unui cuantum de rotatie, constanta este direct observabila ca unghi.
Constanta structurii fine este unul dintre parametrii importanti ai universului nostru, deoarece descrie puterea uneia dintre cele patru forte fundamentale care compun universul nostru si este, de asemenea, o caracteristica principala a teoriei campului unificat.
Cat de constante sunt de fapt constantele fizice ale naturii?
Desi fortele si constantele fizice ale Naturii au fost masurate si caracterizate la un nivel uimitor de precizie, raman cateva mari intrebari : ce aspecte fundamentale ale universului dau nastere legilor naturii?
Sunt aceste legi stabilite de la inceput de o relatie sau un mecanism neidentificate inca, producand parametrii fizici aparent ajustati care dau nastere materiei si vietii organizate?
Sunt ele imuabile in timp si spatiu, sau variaza, astfel incat zona noastra locala din univers sa fie potrivita pentru propria noastra existenta?
Caracterizam legile naturii folosind valorile numerice ale constantelor fundamentale – de exemplu, constanta structurii fine α (alfa) stabileste puterea fortei electromagnetice.
Puterea acestei forte defineste exact modul in care electronul interactioneaza prin intermediul fortei electromagnetice si comportamentul sau in interiorul si in afara atomului si, prin urmare, este o baza fundamentala pentru comportamentul si proprietatile materiei.
Cu toate acestea, modelul standard al fizicii particulelor nu ofera nicio explicatie pentru valoarea sa, care ar putea varia in spatiu si in timp.
Cautarea de a determina daca puterea interactiunii electromagnetice este constanta in spatiu si timp a primit un impuls din sugestia ca ar putea exista dimensiuni suplimentare ale spatiului (masuratorile variatiilor in alfa ar putea exclude aceste modele hiperdimensionale).
O alta sugestie ar fi ca aceste constante sunt determinate partial sau integral de ruperea simetriei la energii ultrainalte in universul foarte timpuriu.
Primele propuneri pentru variatia timpului in α de catre Stanyukovici, Teller si Gamow au fost motivate de coincidentele in numar mare observate de Dirac, dar au fost ulterior excluse de observatii.
Masurarea luminii stelelor si constanta structurii fine
Pentru a determina variabilitatea potentiala a constantei structurii fine, oamenii de stiinta sunt interesati sa efectueze masuratori dincolo de laborator, pentru a vedea, de exemplu, daca exista variatii in puterea interactiunii electromagnetice in diferite locatii ale universului separate de distanțe mari (ceea ce se numeste variatie spatiala).
In acest scop, o echipa de astrofizicieni a dus determinarea α la o scara astronomica, masurand lungimile de unda ale liniilor de absorbtie stelara si efectuand o analiza sistematica pentru a detecta cantitatea de variatie a constantei, daca este cazul.
Folosind spectrele a 17 stele din apropiere, cu proprietati asemanatoare Soarelui nostru, echipa de cercetare a masurat si analizat liniile de absorbtie care sunt sensibile la α, raportand descoperirile lor in revista Science.
Comparand spectrele de absorbtie ale celor 17 stele din apropiere, astrofizicienii au reusit sa stabileasca o limita superioara de 50 de parti per miliard pentru variatiile α intre stele.
Rezultatele exclud modificari substantiale ale α in regiunea locala a Caii Lactee, umpland un gol intre masuratorile de laborator si studiile anterioare care au masurat liniile de absorbtie in unele dintre cele mai indepartate regiuni ale universului.
Studii anterioare ale variabilitatii spatiotemporale a α
Interesant, desi cel mai recent studiu ne arata o consistenta pentru constanta structurii fine in regiunea locala a galaxiei noastre, studiile anterioare, care au examinat puterea interactiunii electromagnetice cu particulele incarcate electric in locatii si epoci mai indepartate, au raportat variatii spatiale si temporale ale α.
In 2004, cercetatorii au analizat raporturile izotopice ale produselor de fisiune si reactiile secundare de absorbtie a neutronilor care au avut loc in mina de uraniu Oklo — o serie de situri in care a avut loc o reactie de fisiune sustinuta in mod natural acum 2 miliarde de ani.
Oamenii de stiinta au descoperit schimbari ale rapoartelor izotopice ale produselor reactiei de fisiune in locul respectiv, care indica o modificare diferita de zero a α in timp, o variabilitate temporala.
Acestia au concluzionat ca, pe baza datelor, este probabil ca aceasta constanta a structurii fine sa se fi schimbat cu 45 de parti per miliard in ultimii 2 miliarde de ani.
Ulterior, in 2010, cercetatorii au anuntat detectarea variatiei spatiale in α – dipolul australian. Acestia au pretins ca au identificat o structura asemanatoare dipolului in variatia constantei structurii fine in universul observabil.
Ei au folosit date despre quasari obtinute de Very Large Telescope, combinate cu datele anterioare ale Webb la telescoapele Keck. Constanta structurii fine pare sa fi fost mai mare cu 1 parte la 100.000 in directia constelatiei Ara din emisfera sudica, acum 10 miliarde de ani.
Apoi, in 2020, echipa a efectuat acelasi tip de masuratori, de aceasta data folosind lumina de la unul dintre cei mai indepartati quasari cunoscuti, care a inceput sa emita lumina cand universul avea doar 0,8 miliarde de ani.
Astfel, apare o imagine a variabilitatii potentiale a constantei structurii fine. Toate analizele de pana acum au indicat ca in regiunile si intervalele de timp locale puterea interactiunii electromagnetice este constanta, in timp ce unele analize au indicat ca aceasta poate varia spatial si temporal.
Cu siguranta, pentru acestea din urma trebuie facute mai multe teste si analize critice pentru a verifica pretinsa variabilitate.
A sti daca structura fina este constanta in spatiu si timp va avea implicatii semnificative pentru fizica si intelegerea universului. Daca se constata ca exista variatii in α pe distante si epoci mari, modelele cosmologice vor trebui ajustate pentru a compensa rata de variabilitate.
Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!
Sursa: nature.com, science.org, resonancescience.org.
Credit foto: Tatiana Lysenko / TU Wien.
Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.
Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.
Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.
Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.

