Scinet.cz » Kavárna, Komentáře, Věda

(Ne)měnnost fundamentálních konstant vesmíru, kvasary, teorie sjednocení a zbožná přání

11.9. 2010, Oldřich Klimánek

Mléčná dráha nad Arizonou (autor snímku: Richard Payne)

Konstanta jemné struktury měla podle tvrzení jedné vědecké skupiny kdysi dávno na opačných koncích vesmíru rozdílnou hodnotu. Vyplývá to ze studie světla vzdálených kvasarů. John Webb, vedoucí autor nového článku, se konstantou jemné struktury a jejími možnými změnami zabývá už poměrně dlouhou dobu. A není to poprvé, kdy jeho tým — jaksi ale osamocený — hlásí tak senzační objev. Magazín PhysicsWorld cituje nizozemského fyzika Wima Ubachse, který nová pozorování označuje za fyzikální objev roku. Proměnlivost konstanty jemné struktury (její závislost na čase a prostoru v našem vesmíru) by totiž pro fyziku měla dost vážné důsledky. A velká prohlášení si žádají velkých důkazů.

Alfa a omega uhlíkového života

Konstanta jemné struktury, označovaná řeckým písmenem alfa, v moderním fyzikálním jazyce představuje vazbovou konstantu charakterizující vlastní sílu elektromagnetické interakce, jedné ze čtyř základních sil vesmíru. Její číselná hodnota je dána podílem jiných základních konstant — velikosti elementárního náboje, (redukovanou) Planckovou konstantou, rychlostí světla a permitivitou vakua. Numerická hodnota přibližně činí 1/137.

\alpha = \frac{e^2}{4\pi \varepsilon_{0}\hbar c}

Její „vyladěnost“ je důležitá pro existenci vesmíru, jak ho známe. I malé změny v hodnotách jednotlivých konstant by totiž vedly ke vzniku zcela odlišných světů — třeba takových, které by krátce po svém vzniku zely nudnou prázdnotou, ve kterých by nemohly neexistovat hvězdy, planety, uhlík a ani uhlíkový život.

Alfa je jednou z asi dvacítky konstant přírody, které musejí být zjištěny měřeními — které nelze vypočítat v rámci fyzikálních teorií. To je zvláště pro teoretiky frustrující. Správná teorie sil a hmoty kosmu by totiž měla být schopna vysvětlit pozorované jevy včetně numerických hodnot konstant bez nutnosti jejich „volby“.

Konstanty vesmíru coby matematická a fyzikální nezbytnost

Volbou se myslí, že neznáme sebemenší důvod, proč by konstanty nemohly mít jinou hodnotu. Nebo existuje něco, co určuje hodnoty konstant v našem vesmíru? Pokud ano, tak co? Nebo existují jiné vesmíry s odlišnými konstantami a musíme se spokojit s antropickým vysvětlením, tedy takovým, že konstanta má v našem vesmíru takovou hodnotu, jakou má, aby umožňovala existenci pozorovatelů, tj. nás samotných, a tedy není se co divit, že její hodnota je dle našich pozorování taková, jaká je?

Takových otázek si můžete klást, kolik chcete, můžete je formulovat různě a libovolně si na ně odpovídat. Jasné je to, že standardní model částicové fyziky neskýtá teoretické vysvětlení pozorovaných hodnot základních konstant — fyzici je musejí zjišťovat experimentálně.

Teoretici na druhou stranu doufají, že ucelená, sjednocená teorie jdoucí nad rámec standardního částicového modelu jim bezezbytku řekne, proč naše konstanty mají takové hodnoty, jaké mají. (Na tomto místě bych čtenáře rád odkázal na knihu Alexe Vilenkina Mnoho světů v jednom: Pátrání po dalších vesmírech, jíž pro vás přeložil váš dopisovatel — mrkněte kousek vpravo.)

Miliardy let staré světlo z kvazarů

John Webb možnost proměnlivost konstanty jemné struktury z observačního hlediska zkoumá již od druhé poloviny 90. let. Jeho dřívější výzkumy sice jakési náznaky proměnlivosti konstanty naznačovaly, ale v žádném případě neprokazovaly. Vlastně ukazují stále totéž.

K hledání změn v hodnotě Alfy se Webb spoléhá na světlo z kvasarů, aktivních jader velmi mladých galaxií, jež k Zemi putuje miliardy let (my kvasary vidíme tak, jak vypadaly v minulosti). Světlo kvasarů muselo projít přes různá plynová mračna, ve kterých se jeho část na určitých vlnových délkách pohltila. A z pozorování a analýzy těchto absorpčních spekter se Webb a jeho kolegové snaží najít změny v konstantě jemné struktury.

První výsledky Webb a jeho tým (v němž málokdy chybí známý astrofyzikální spisovatel John D. Barrow, jehož knížky nikdy nebyly mým půllitrem piva a dodnes jsem zcela nepochopil jejich význam) publikovali v roce 1999 a Webb již v té době tvrdil, že se podařilo získat první doklady o proměnlivosti konstanty.

Tehdy s týmem studovali světlo 25 kvasarů, jejichž spektra byla získaná pomocí Keckova teleskopu na havajské sopce Mauna Kea. Média už v té psala, že spektra kvasarů naznačují, že během 10 miliard až 12 miliard let se konstanta skutečně mírně změnila, přesněji zvýšila řádově asi o 10-5 (Webb tehdy vymezil pro variaci konstanty meze (-0,2 +/- 0,4) x 10-5 pro bližší kvasary a (-1,9 +/- 0,5) x 10-5 pro ty vzdálenější). To je číslo, které se ani po dalších desíti letech vlastně nijak zásadně nezměnilo.

Další studie však závěry Webbova výzkumu nepotvrdily.

Fyzici jsou k podobným studiím velmi skeptičtí, protože pozorování jsou zatížena velkým množstvím chyb (nejistot) známého i neznámého charakteru a rozsahu — a ověřené nejsou ani metody zpracování dat ze spekter, které Webb navrhuje.

Dipól aneb Zákony se mění s polohou v prostoru?

Nyní Webbův tým prozkoumal dalších několik desítek kvasarů (spektra) z jižní polokoule pomocí systému teleskopů VLT umístěných v Chile (Very Large Telescope, systém je složený z osmi zrcadel, čtyři mají průměr optiky 8,2 metru, další čtyři — pohyblivé — mají každý průměr 1,8 m).

Aktuální výsledky jsou zajímavé ze dvou důvodů, tvrdí autoři. Za prvé, Webb et al. opět prezentují výsledek, podle něhož došlo ke změně konstanty, jenomže, což je teď hlavní, velikost změny a její „směr“ závisí i na tom, z jaké polokoule se díváme.

Analýza spekter kvazarů pozorovaných ze severní polokoule ukázala, že konstanta kdysi byla o chloupek menší než dnes (spokojme se zase s řádem 10-5), překvapení však skýtalo pozorování provedené z jižní polokoule — podle analýzy byla Alfa před asi 10 miliardami let naopak větší než dnes. Jinými slovy hodnota konstanty jemné struktury, tvrdí Webb, se nemění jen s časem, ale rovněž s polohou ve vesmíru.

Skupina přiřadila tomuto „dipólu“ z hlediska statistiky význam „4,1 sigma“, což v určitém smyslu znamená, že „signál“ je 4,1x vyšší než „šum“. Pravděpodobnost, že jde o náhodu, proto činí asi 1:24 000. Na druhou stranu například v částicové fyzice se za objev mohou prohlásit experimentální výsledky s úrovní jistoty minimálně pět sigma, kde pravděpodobnost, že získaná data jsou dílem náhody, je jedna ku 1,7 milionu.

Nestálý svět změn

Proměnnost konstanty jemné struktury vzhledem k poloze ve vesmíru a času však přináší zásadní těžkosti. Tou hlavní je, že odporuje principům teorie relativity. Pokud by Webbovy výsledky opravdu odpovídaly realitě, pak by výsledky experimentů a fyzikální zákony nebyly stálé, ale závislé na času i prostoru, tedy na výběru vztažné soustavy. Pak na ně můžete nahlížet jako na zákony států: každá země je má jiné a zákony se mění i během doby.

Chtěli byste ale žít ve světě s proměnlivými fyzikálními zákony?

Proměnlivost konstant je spekulativní sama o sobě. I když určitě se najdou lidé, kteří budou o příčinách a následcích změn v konstantě teoretizovat léta, fakt je ten, že žádné dosavadní experimentální pozorování neodhalilo porušení (neplatnost) principů relativity. Webb přesto chce věřit tomu, že fyzikální zákony se mění od místa k místu.

Čísla, data, chyby

Článek Webb et al. (2010) obsahuje následující zjištěné údaje:

(Změna v konstantě jemné struktury podle dat z roku 2004; severní polokoule, Keck: z = 1,8, což je „hraniční“ červený posuv, oproti z = 1 v minulých článcích)

\frac{\Delta \alpha}{\alpha} = -0,53 \pm 0,12 \times 10^{-5} (z <1,8), \frac{\Delta \alpha}{\alpha} = -0,74 \pm 0,17 \times 10^{-5} (z >1,8).

Jinými slovy, Webb na základě těchto čísel tvrdí, že konstanta jemné struktury, pozorována ze severní polokoule, byla v minulosti mírně nižší než dnes.

Pozorování z jižní polokoule (data ze systému VLT) přinesla Webbovou metodou tato čísla:

\frac{\Delta \alpha}{\alpha} = -0,06 \pm 0,16 \times 10^{-5},
\frac{\Delta \alpha}{\alpha} = +0,61 \pm 0,20 \times 10^{-5}.

Zatímco severní polokoule ukazuje jakousi změnu v Alfě pro kvasary s červeným posuvem do 1,8, kvasary z jižní polokoule žádnou podstatnou změnu ani v jednom směru neudávají (experimentátoři by na tomto místě mohli říct své). U kvasarů s červeným posuvem větším než 1,8 (tj. u těch vzdálenějších) Webb změnu našel, ale ani ta nevypadá moc přesvědčivě. Všechny odchylky se pohybují stále na úrovni 10-5, což je však v tuto chvíli technické maximum. Mimochodem byste se mohli ptát, jak byla tato čísla získána, kde jsou k ověření datové řady a kde jsou konkrétní kódy algoritmů použitých v analýze. Zeptat se samozřejmě můžete.

Webb s týmem v článku přiznává, že při měření mohlo dojít k různým chybám, a to zejména v ustavení ramen VLT, a tedy mírném posunutí štěrbin spektrografů (tj. data z databází nemusela být pro jejich účel vhodná, protože nejsou dostatečně přesná). Ale velkou váhu těmto chybám nepřikládá. Pochybnosti se vznášejí také nad výběrem dat. V článku se uvádí, že data pro severní polokouli (Keckův dalekohled) byla upravena: některá odstraněna, jiná oříznuta.

Nemělo by ani uniknout pozornosti, že Webb je snad jediným z fyziků, který se systematicky (pomocí kvasarů) měření změn konstanty jemné struktury věnuje a neustále hlásí, že konstanta se mění. Ostatní fyzici k takovým závěrům nedospěli. Webb se ale odvolává na statistické simulace, které jeho závěry mají potvrzovat — a to studie Juliana Kinga. Ty ovšem King vytvořil právě s Webbem a King figuruje i jako spoluautor nového článku analyzujícího data z VLT.

Teorie superstrun a krajinka zběsilých vakuí

Když Webb v roce 2001 publikoval jinou studii s podobnými závěry, média tehdy psala o nutnosti přepsat fyziku i učebnice. New York Times ho citoval, kterak říká, že fyzikální zákony se možná s časem mění a že pokud jeho pozorování jsou správné, je to jeho životní objev. Situace se opakuje. S každou novou Webbovou studií.

V souvislosti s proměnlivou konstantou jemné struktury se často skloňuje teorie superstrun (stejně jako kdysi New York Times k tomu dnes sáhla další média), resp. sjednocené teorie obecně. Toto spojení použil Webb v úvodu článku z roku 2004, kde jedinou větou řekl, že „společným rysem sjednocených teorií je, že v kosmologickém kontextu dovolují časovou a prostorovou proměnnost konstanty jemné struktury.“

Sluší se říct, že konstanta jemné struktury — ostatně jako jiné vazbové konstanty dalších interakcí — se opravdu mění. Ale za jiných okolností, v naprosto jiném kontextu.

Za prvé, co se týče strunové teorie: Hodnoty konstant přírody se mění například při procházce po tzv. strunové krajince, kde kopečky a údolí představují různá falešná vakua teorie strun, různé světy s „podložním“ vakuem. V krajince existuje spousta míst, konfigurací, v nichž se hodnoty konstat různí. To ovšem není totéž jako říct, že teorie strun nám říká, že konstanty se mění v našem vesmíru. Náš vesmír je totiž ve strunové krajince představován jedinou konfigurací, jež závisí na tvaru dané Calabiho-Yauovy variety, prostůrku, do kterého je smotáno šest malinkých dodatečných dimenzí. Fyzici dodnes nevědí, jaký tvar mají Calabiho-Yauovy variety v našem vesmíru a ani co jejich tvar určuje. To je předmětem teoretického výzkumu.

Jak bylo řečeno výše, konstanty přírody musejí být do standardního částicového modelu vloženy ručně, až jsou změřeny experimentálně. Pořádná a hluboká sjednocující teorie by však žádné volitelné konstanty neměla obsahovat. To je případ strunové teorie, kde konstanty nejsou libovolná čísla, ale vlastně dynamicky se měnící hodnoty určitého skalárního pole. Pojem „skalární pole“ je ekvivalentní tomu, když řekneme, že „konstanta“ se mění od místa k místu a vyvíjí se s časem. Představit si to můžete třeba jako „teplotní pole“ na kusu plechu, který z jedné strany zahříváte. Plech má v nějakém bodě nějakou teplotu, kterou v jednu chvíli vyjádříte jedním číslem (naivně „konstantou“), ale obecně body na plechu mají různé teploty, které se navíc ještě mění s časem.

Vazbová konstanta a dilaton

V teorii strun je základním pojmem s ohledem na naše povídání tzv. vazbová konstanta strun, která určuje, jak spolu struny interagují. Ve strunové teorii jsou všechny síly a částice hmoty odrazem tance strun (uzavřených, otevřených), neexistuje nic jako struna pro kvark, elektron, lepton nebo foton. Všechny tyto částice jsou jen různými vibračními mody jedněch strun. Způsob tance, kmitání, je pak ovládán zmíněným tvarem Calabiho-Yauovy variety. Teď se můžeme oprostit od různých vazbových konstant základních interakcí (o jejich „slévání“ si řekneme trošku víc níže) a soustředit se pouze na vazbovou strunovou konstantu.

Nemá-li být svévolná, musí ji něco určovat.

Skalárnímu poli příslušejícímu vazbové konstantě se říká dilatonové. Když se v něm pohybujeme, hodnota strunové vazbové konstanty se mění, je tedy funkcí časoprostorových souřadnic. Hodnota konstanty je dána jako exponenciála střední vakuové hodnoty dilatonového pole. Tohle ovšem není totéž jako říct, že při pohybu v prostoru a čase v našem vesmíru se nám bude vazbová konstanta (nebo konstanty) měnit. Totiž vazbová konstanta se může měnit do té doby, dokud je vakuum ovládáno supersymetrií (proto hovoříme o teorii superstrun).

Jakmile dojde ke spontánnímu narušení této symetrie, dilatonové pole se usadí na nejbližším lokálním minimu, čímž se vakuum stabilizuje a rázem vykrystalizuje hodnota vazbové konstanty (je to něco podobného, jako když kulička v ruletě skočí na jedno místo označené určitým číslem; sami tušíte, že tato analogie pokulhává, protože hodnoty na ruletě jsou diskrétní a k tomu omezené, ale pro představu usazení hodnoty vazbové konstanty tato analogie postačí). Vzniklý vesmír s takto stabilizovaným vakuem pak má hodnotu konstanty stálou.

Prohlášení Webba v článku z roku 2001, kdy si pro podporu pozorování spekter kvasarů vzal na pomoc „společný rys sjednocených teorií“, tedy proměnlivost konstanty jemné struktury, možná vychází i ze špatného pochopení toho, co taková proměnnost vazbových konstant u fundamentálních interakcí v tomto případě znamená. Struny teď nechejme strunami. A zase v jiném kontextu si povězme, kdy konstanta jemné struktury není konstantní.

Fundamentální konstanta, která není zas tak fundamentální aneb Energie je velký hráč

Tohle je důležité: Hodnota alfy není stálá, ale závislá na energii, při které ji měříme. Obyčejně udávaná hodnota 1/137(+drobky) odpovídá nízkoenergetickému stavu, ve kterém se svět kolem nás a vesmír nachází — a myslíme tím analogicky „větší vzdálenosti“, říkejte tomu třeba makrosvět. Hodnota konstanty se bude zvětšovat, když budeme přecházet k vyšším energiím, na menší vzdálenosti, do světa atomů a částic.

Když se vrátíme k vyjádření konstanty jemné struktury, které jsme si uvedli na počátku článku, její matematické vyjádření nemusíme interpretovat jen jako druhou mocninu poměru elementárního náboje k Planckově náboji, ale i jinak (ve skutečnosti analogicky různě). Protože ve výrazu vystupuje druhá mocnina elementárního náboje a čísla související s vakuem, jako permitivita vakua, konstantu jemné struktury můžeme interpretovat jako druhou mocninu efektivního náboje stíněného polarizací vakua, přičemž takový náboj pozorujeme z velké vzdálenosti („z makrosvěta“).

Polarizace vakua zní sice jako solidní úlet, ale kvantové jevy v něm probíhající nejsou jen pouhými projevy zběsilých myšlenkových pochodů teoretiků. Polarizace vakua je důsledkem kvantověmechanických efektů, vakuum není triviálně prázdný prostor, ale dynamický systém, ve kterém spontánně vznikají a zanikají páry částic (od „normálních“ částic je odlišujeme slovem „virtuální“). To všechno bylo samozřejmě experimentálně potvrzeno (Lambův posun spektrálních čar, Casimirův efekt apod.).

Vakuum a zastíněné náboje

Co mají společného virtuální částice ve vakuu a konstanta jemné struktury? Hodně. Pojďme například měřit náboj elektronu. Z dálky to není nic složitého, prostě dostaneme číslo rovné elementárnímu náboji. Když se elektronu budeme chtít podívat blíže na zoubek, zjistíme ale pár zásadních věcí. Ve vakuu nám vznikají a zanikají virtuální páry částic. Kolem elektronu se vznášejí virtuální fotony, které se spontánně mění v páry elektronů a pozitronů. Pozitrony jsou („pravým“, „holým“) elektronem přitahovány, virtuální elektrony zase odpuzovány — a polarizace je na světě. Holý elektron je tak ponořen v mlze virtuálních částic, které jej stíní.

Když se k elektronu budeme blížit, zpozorujeme několik věcí. Za prvé, abychom se přes mrak virtuálních částic dostali, potřebujeme dostatek energie. Čím blíže elektronu se budeme chtít dostat, tím více energie budeme potřebovat. Z nízkoenergetického makrosvěta se tak začneme nořit do mikrosvěta a budeme se i posouvat výše na energetické škále. Druhým charakteristickým bodem je, čím hlouběji mračny pronikneme, tím víc bude klesat hustota virtuálních částic stínících elektron. To znamená jediné: naměřený náboj elektronu vzroste. Tím vzroste i hodnota vazbové konstanty elektromagnetické interakce — hodnota konstanty jemné struktury. Tak například při energii asi 80 GeV (80 miliard elektronvoltů) má konstanta hodnotu 1/128 (+ drobky), což je o 7 procent víc než při nulové energii.

Energie a sjednocování interakcí

Podobně se chovají i vazbové konstanty dalších interakcí. I jejich velikost se stoupající energií se mění. Například u silné jaderné interakce je stínění vlastně antistíněním, tj. mrak z virtuálních částic má na „barevný náboj“ zesilující efekt, nikoli zeslabující.

Přirozeně si můžete položit otázku, zda se za určitých podmínek mohou vazbové konstanty interakcí „protnout“ a zda taková vazbová konstanta nemůže pak řídit chování všech interakcí, které jsou vlastně projevy nějaké vyšší interakce. Tohle je vlastně součástí principu sjednocování interakcí, kdy se ukazuje, že rozdílnost základních sil ve vesmíru je dána především nízkou energií našeho vesmíru, našeho vakua. Při větších energiích, při a krátce po velkém třesku, opravdu síly přírody byly slity v symetričtější a mocnější celek a vykrystalizovaly do současné podoby díky snižující se teplotě prudce se rozpínajícího vesmíru, kdy vakuum procházelo fázovými změnami.

Když tedy budeme hledat odpověď na otázku, zda se vazbové konstanty mohou při určité energii protnout, zjistíme, že mohou. Ovšem aby se slabá, silná jaderná síla a elektromagnetická potkaly v jednom bodě, vakuum musí být supersymetrické. A tím bychom se zase mohli dostat k teorii superstrun nebo supersymetrickým nadstavbám standardního částicového modelu.

Není konstantnost jako konstantnost

Pod pojmem konstantnost a proměnnost konstant přírody se v závislosti na kontextu tedy skrývá různá fyzika. Konstanta jemné struktury, jak jsme si řekli, se měnit může i bez toho, aby bylo potřeba přepsat učebnice, měnit něco na současných symetriích vesmíru a platnosti fyzikálních zákonů.

Spekulace, „zda se konstanta jemné struktury může měnit“, se vždy snaží ukazovat na tu možnost, že konstanta není konstantní v našem vesmíru při základní energii, že se mění během času nebo podle místa. Pro taková prohlášení neexistují podpůrná experimentální data ani teoretická opodstatnění. Právě naopak. Odvolávání se na sjednocené teorie a teorie superstrun při pozorování kvasarů je poněkud komické, protože dynamika vazbových konstant s jejich proměnlivostí v závislosti na poloze a času v našem vesmíru vůbec nesouvisí. Proto se spíše zdá, že Webb (dáme-li jeho analýzám nějakou váhu) vlastně dokazuje, že konstantnost konstanty jemné struktury je perfektní i v rámci kosmologických měřítek.

Nedemokratičnost mezi kvasary, jeden rovnější druhého

Webb a je spolupracovníci svá tvrzení sice zakládají na pozorování desítek kvasarů, ale otázka zní, jaký klíč zvolili při výběru těchto kvasarů? Protože objevených kvasarů není „několik desítek“, ale kapku víc — přes dvě stě tisíc. Je to něco podobného, když média zaplaví zprávy o tom, že OSN varuje, že „téměř třicítka zkoumaných ledovců taje“. Těch ledovců je na Zemi také trošku víc, přesněji 160 tisíc.

Možná byste klíč pro volbu spekter vybraných kvasarů mohli najít sami. A to kdybyste se léta média i sebe snažili mermomocí přesvědčit, že fyzikální zákony se mění, že fyzika potřebuje přepsat — že jste tedy objevili něco senzačního a překonali jste Einsteina a symetrie kosmu.

Neobjeví-li se opravdu nezávislé studie (provedené i jinými technikami), které s velkou přesností a vysokou statistickou spolehlivostí ukáží opak, konstanta jemné struktury bude stále konstantní a principy relativity pevné jako dosud. Totiž silná prohlášení o konci fyziky, jak ji známe, si opravdu žádají stejně silné důkazy, ne-li ještě silnější.

Oldřich Klimánek

Provozovatel serveru Scinet.cz.


Komentáře (3) »

  • Milan napsal:

    velmi kvalitní vysvětlení situace, díky je to super

  • pavel napsal:

    njn – vesmir stvoril cloveka, aby poznal sam sebe :-)

  • adam72 napsal:

    Kdyby by se fyzici nezasekli na fyzice a pokračovali na chemii, asi by zjistili, že sebelepší teoretické odvození ani sebedokonalejší přístupy k modelování nevedou k teoretickému stanovení všech parametrů. Zatím jsem neviděl např. metodu, který by byla schopna určit kinetické parametry chemických reakcí pro alespoň 3 či 4 velmi různorodé typy přeměn s chybou menší než 50%. Musí to být silně frustrující, marná snaha, některé věci se prostě musí změřit, to je realita.


VLOŽIT KOMENTÁŘ