השתנה הקבוע?

כיצד מתמודדים פיסיקאים ואסטרונומים עם הטענה שקבוע אלפא, המבוסס על ערכים בלתי משתנים כמו מהירות האור ומטען האלקטרון, שינה בעצם את ערכו במהלך הזמן

בכל ספר פיסיקה שבו תדפדפו תגלו בעמוד האחורי את רשימת הקבועים הבסיסיים של הטבע: מהירות האור, מטען האלקטרון וכיוצא באלה. נתונים אלה, שאינם משתנים לעולם, הם שותפיהם הנאמנים ביותר של הפיסיקאים, שמפתחים לעתים תיאוריות מוזרות במיוחד כדי להסביר את היקום. לכן, כשקבוצת מדענים אוסטרלים הכריזה בשנה שעברה כי נראה שאחד מהקבועים הללו השתנה – עורר הדבר מהומה. קבוצת מדענים זו שלחה כעת נציג מטעמה, מייקל מרפי, לארצות הברית, כדי להרצות לפני מדענים אמריקאים ולהסביר את התגלית.

בלב המחלוקת נמצא המספר המוכר כ"אלפא", שאותו מחשבים על ידי צירוף של כמה קבועים פיסיקליים בסיסיים. כדי להגיע לאלפא, יש להעלות בריבוע את מטען האלקטרון ולחלק אותו במכפלה של מהירות האור והקבוע של פלאנק (ערך מרכזי בתיאוריית הקוונטים). את התוצאה יש להכפיל בפעמיים "פיי" (היחס בין היקף המעגל לקוטר שלו). כשבוחרים את יחידות המידה הנכונות לכל רכיב, הן "מבטלות" זו את זו. כל שנותר הוא "אלפא", מספר טהור.

בעבר חשבו מדענים שערכו של אלפא הוא שבר בגודל מדויק, אחד חלקי .137 כיום חושבים הפיסיקאים כי המכנה קרוב יותר ל-.137.036 עבודתם של ג'ון ווב, ויקטור פלאמבאום ומרפי מאוניברסיטת ניו סאות ויילס, ושותפיהם במקומות אחרים, רק העצימה את החידה. אם הם צודקים, אין טעם לייחס חשיבות לערך המחושב של אלפא, משום שהוא גדל במשך הזמן. ליתר דיוק, במהלך 9 מיליארד השנים האחרונות הוא גדל ב-%.0.0006

את ערכו של אלפא ניתן לחשב באמצעות מדידות מדויקות של עצמים פיסיקליים. אחת הדרכים לעשות זאת היא להקרין אלומת אור דרך מכל מלא בגז. אטומי הגז יבלעו חלק מצבעי האור, שכל אחד מהם תואם לאורך גל ספציפי. ספקטרום האור שייצא מן המכל יכלול סדרה של קווים כהים, הקוטעים את מה שאמור היה להיות קשת רציפה. הריווח של קווים אלו, מה שקרוי "המבנה העדין" שלהם, תלוי באלפא וידוע כ"קבוע המבנה העדין".

המדענים האוסטרלים השתמשו בטכניקה הזאת כדי להעריך מה היה ערכו של אלפא לפני כמה מיליארדי שנים. באמצעות ,Keck I טלסקופ המוצב על פסגת ההר מאונה קיאה בהוואי, ניתחו המדענים אור הנפלט מגלקסיות בהירות אך רחוקות מאוד הנקראות "קוואזארים". מכיוון שלאור הנפלט מהגלקסיות הרחוקות לוקח זמן כה רב להגיע לכדור הארץ, יכלו האסטרונומים למדוד את ערכו של אלפא באור שמקורו בעבר הרחוק מאוד.

בדרכו לכדור הארץ, עובר האור הנובע מקוואזארים מסוימים דרך ענן גז. בדיוק כמו במכל, המולקולות בתוך ענן הגז הבין-גלקטי בולעות אורכי גל ספציפיים ומשאירות על ספקטרום האור של הקוואזאר תבנית של קווים כהים.

מכיוון שהיקום מתפשט, כל גל אור הנפלט ממקור מרוחק נמתח. אורך הגל גדל, והוא מוסט לעבר הקצה האדום של הספקטרום. ד"ר ווב וצוותו גילו כי גם לאחר תיקונים שביצעו בשל הסטה זו לעבר הקצה האדום, אורכי הגל של הקווים הכהים בספקטרום של הקוואזארים לא היו זהים לאלה שהתקבלו במעבדות בכדור הארץ. בספקטרום של הקוואזארים, חלק מהקווים הכהים הוסטו במקצת לעבר הקצה האדום של ספקטרום הצבעים; אחרים זזו לעבר הקצה הכחול. תבנית מעין זו יכולה להתקבל רק אם בעת מעברו של האור דרך ענן הגז, אלפא היה קטן במקצת מכפי שהוא כיום.

סטייה זו קטנה מכדי שניתן יהיה לראותה על פי מדידות של קוואזאר אחד. אך צוות החוקרים ביצע מדידות של ספקטרום האור של 72 קוואזארים שונים, ולטענתו הגיע להוכחות סטטיסטיות מוצקות. סבב ההרצאות של מרפי נועד לפרסם את הממצא ולשכנע מדענים אחרים לבצע מדידות עצמאיות משלהם. התגובה שבה נתקל עד כה היתה של חוסר נוחות מצד פיסיקאים תיאורטיים ושל ספקנות מצד אסטרונומים. התיאורטיקנים היו מודאגים מהסיבות שעשויות לגרום לשינוי בערכו של אלפא ומהמשמעות של השינוי בכל הנוגע ליציבות מרכיביו של הקבוע. האם ייתכן, הם תהו, שבמהלך הזמן השתנו מטען האלקטרון או מהירות האור?

בעבור רוב התיאוריות המסבירות את מבנה היקום, שינוי בערכו של קבוע אלפא עלול להיות הרסני. אולם ישנה תיאוריה אחת שעשויה לאפשר לקבועים להשתנות במהלך הזמן. הכוונה לתיאוריה הידועה כתורת המיתרים, הקובעת שליקום יש 11 ממדים: ארבעת הממדים המוכרים של המרחב והזמן ועוד שבעה ממדים שהצטמקו ונהפכו לבלתי נגישים מאז המפץ הגדול. על פי תורת המיתרים, הקבועים שאותם מודדים הפיסיקאים במעבדותיהם הם רק צללים ארבעה-ממדיים של הישויות הבסיסיות יותר הקיימות ב-11 הממדים. צללים אלו ישתנו במהלך הזמן אם קנה המידה של הממדים החבויים ישתנה. לרוע המזל, איש אינו יודע כיצד להשתמש בתורת המיתרים כדי לחשב אם יש להעלות או להוריד את ערכו של אלפא, ובכמה.

תיאורטיקנים שאינם תומכים בתורת המיתרים, כמו גיאורגי דוואלי מאוניברסיטת ניו יורק וז'ואאו מגווייחו מאימפריאל קולג' בלונדון, טוענים כי השינוי בערכו של אלפא יכול להיגרם כתוצאה מכוח שלא התגלה עדיין, היכול לשנות את חוק הכבידה. על פי ההשערה, הכוח הלא מוכר יגרום לגופים העשויים מחומרים שונים ליפול בקצב שונה.

כריס קארילי, מהמצפה הלאומי לאסטרונומיית רדיו בסוקורו, ניו מקסיקו, ואסטרונומים אחרים מגיבים בספקנות על הממצא של הצוות האוסטרלי, וזאת משום שהמדידה החדשה אינה עולה בקנה אחד עם דרך מדידה שונה לקביעת ערכו של אלפא בעבר הרחוק. סלעים המכילים אורניום הנמצאים בגאבון עברו לפני כשני מיליארד שנים דחיסה עזה כל כך עד שהתרחש בהם ביקוע הדומה לזה המתרחש בכורים גרעיניים. פיסיקאים יודעים זאת בשל הכמויות היוצאות מגדר הרגיל של סוגי אורניום שונים ויסודות אחרים שנמצאו באתר. מדענים שבדקו את המרבצים האלה הגיעו למסקנה שערכו של אלפא במהלך אותן תגובות גרעיניות עתיקות היה זהה לערכו כיום.

אם המדידות המבוססות על הקוואזארים ועל המכרה בגאבון נכונות שתיהן, ערכו של אלפא היה צריך להשתנות בתקופה שהתחילה לפני 9 מיליארד שנים והסתיימה לפני 2 מיליארד שנים, ולאחר מכן נשאר קבוע. דבר זה יהיה מביך הרבה יותר. רוב הפיסיקאים היו שמחים יותר אילו הבעיה כולה היתה נעלמת.

הקבוע המשתנה עם הזמן

17/09/2001

מדענים אוסטרלים אישרו תיאוריה שנולדה לפני 64 שנה, בקשר לאחד מ"קבועי הטבע"

לא כל "קבוע" בטבע הוא "סלע מוצק". עדויות חדשות מראות ש- 0.007297351(או 1/137), המכונה "קבוע המבנה הדק" – מושג מפיסיקת הקוואנטים הנוגע לאלקטרונים ולאטומים – איננו קבוע.

הוא משתנה בזמן. המספר הזה (שגיאות-מדידה אפשרית, בטווח של מיליונית אחת), הוא מהקבועים הבסיסיים בטבע ונוגע למצבי האנרגיה של אלקטרון, בתוך אטום.

תיאורטית, אפשר ליחס לו מידה של "גמישות" או "חוזק" לגבי הקשר האלקטרוני: כשהוא גדול יותר מ"הקבוע" – הקשר חזק יותר. באוגוסט דיווח "פיסיקל רוויו לטרס" שלראשונה הושגה עדות ניסיונית שערכו של "קבוע המבנה הדק" (fine structure constant) היה בעבר הרחוק של היקום, שונה מכפי שהוא היום. במילים אחרות: הקבוע הזה משתנה בזמן!

לראשונה הוכנס המושג הנ"ל למדע בשנות ה-30 של המאה ה-,20 על-ידי פול דיראק (1984-1902). פיסיקאים דנו אז באפשרות שקבועי הטבע השונים אינם קבועים. ערכם הידוע היום שונה מכפי שהיה בעת שהיקום היה צעיר בכמה סדרי-גודל מגילו היום ושערכיו הנוכחיים, יכולים להשתנות.

בין קבועי הטבע מונים הפיסיקאים את הערך המדויק של מהירות האור, את גודל המטען החשמלי של אלקטרון, את קבוע הכבידה העולמי, ועוד.

אם בעבר ערכם היה אחר, אזי תהליכים טבעיים שהתרחשו, נראים שונים מאלו של היום, אף שהמשוואות המתימטיות המתארות אותם, לא השתנו. למשל: אם מהירות האור בעבר היתה גדולה מכפי שאנו מודדים היום, לא היינו יכולים להבחין בכך כי מכשירי המדידה שלנו היו מתכווצים, באותו קצב.

קבוע המבנה הדק נוגע בתופעות אלקטרוניות באטום. הוא אמור להיות היום אחר בפקטור ,10 מבעבר – אחרת אטומי הפחמן לא היו יציבים. הפחמן הוא היסוד הכימי הנדרש להעברת המידע התורשתי. לקביעת ערכו של הקבוע, השפעה רבה על שאלת קיום החיים ביקום.

קבוע המבנה הדק שימש יעד מחקרי לאסטרונומים אוסטרלים. הם בחנו את ספקטרום (התפלגות האור) בקוואזרים מרוחקים מאוד. הקוואזרים הם חורים שחורים ענקיים, בליבות הגלקסיות. מאסת חורים שחורים גדולה פי מיליארד ממאסת השמש ומשפיעה על החומר הסמוך להם. החומר "השכן" נספח לחור השחור עקב משיכתו החזקה – ונופל לתוכו. תוך כדי נפילה הוא פולט כמות אנרגיה אדירה. חלקה משתחרר כ-אור נראה.

הריכוז הגדול של אנרגיה הנפלטת בנפילה הזאת, גורם לחורים השחורים סופחי החומר, להיות העצמים הבהירים ביותר ביקום. ניתן לראותם במרחקים גדולים הנמדדים במיליארדי שנות-אור. האור הנפלט מהם עובר ביקום ומושפע מחומר אחר, הנמצא בדרכו. החומר שבין הגלקסיות, גורע מהאור הנפלט. המחקר סיפק הבנה טובה יותר בדבר הרכב הכימי של החומר ומצבו הפיסיקלי.

האוסטרלים בחנו את קווי הבליעה בספקטראות קוואזרים רחוקים. מקורם בחומר שבין הקוואזרים לבינינו. בחומר זה אטומי ברזל, סיליקון, מגנזיום. מבנה הקווים הספקטרלים, מירווחי האנרגיה שבין זוגות קווים, העוצמות והיחסים ביניהם – איפשרו לחוקרים להתייחס לערכו של קבוע המבנה הדק, כשהקווים נפלטו בעברו הרחוק של היקום.

המדידות הצביעו על כך שבעבר הרחוק מאד, הקבוע הנ"ל היה קטן מכפי שהוא היום. במושגים פשוטים: היקום, בעברו, היה "מוחזק חזק יותר" מכפי שהוא "מוחזק" היום.

• מתי נוצרו הכוכבים?
• הגלקסיה הרחוקה ביותר