Ett olöst problem om tid och rum.

 

Genom en mängd olika tester på jorden och av universum har fysiker inte hittat några förändringar i tid eller rum utifrån någon av naturens grundläggande konstanter.

Modern fysik vilar på två huvudpelare. Den ena är Einsteins allmänna relativitetsteori som används för att förklara tyngdkraften. Den andra standardmodellen handlar om de tre naturkrafterna: elektromagnetism, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften. Med hjälp av dessa teorier kan fysiker förklara stora delar av interaktionerna i hela universum.

Men  teorierna förklarar inte allt. Framträdande inom ekvationerna är grundläggande konstanter, siffror som vi måste mäta och ansluta för hand. Endast med dessa siffror på plats kan vi använda teorierna och göra nya förutsägelser. Allmänna relativitets teorin är utarbetad av endast två konstanter: tyngdkraften (vanligtvis kallad G) och den kosmologiska konstanten (vanligtvis betecknad Λ, som mäter mängden energi i rymdtidens vakuum).Standardmodellen kräver 19 konstanter för att anslutas till ekvationerna. Dessa inkluderar parametrar som massorna av nio fermioner (ex elektronen och uppkvarken), styrkorna hos kärnkrafterna innefattar konstanter som styr hur Higgs-bosonen interagerar med andra partiklar. Eftersom standardmodellen inte automatiskt förutsäger neutrinernas massor måste till deras dynamik läggas till ytterligare sju konstanter.

Det är sammanlagt 28 siffrorna bestämmer helt  all fysik i det kända universum. Många fysiker hävdar att det verkar lite artificiellt att behöva alla dessa konstanter. Arbetet som forskare är att förklara så många olika fenomen som möjligt med så få utgångspunkter som man kan komma undan med. Fysiker tror att allmänna relativitetsteorin och standardmodellen inte är slutet på fysiken eftersom dessa två teorier inte är kompatibla med varandra. De misstänker att det finns någon djupare, mer grundläggande teori (sanning) som förenar dessa två grenar.

Den mer grundläggande teorin kan ha hur många grundläggande konstanter som helst associerade med den. Den kan ha samma uppsättning av 28 siffror som vi ser idag. Den kan ha sina egna, oberoende konstanter, med de 28 siffrorna som framträdande som dynamiska uttryck för någon underliggande fysik. Den kan till och med inte ha några konstanter alls utan istället vara en grundläggande teori som kan förklaras i sin helhet utan att något behöver läggas till för hand.

Oavsett vad, om våra grundläggande konstanter inte riktigt är konstanta - om de råkar variera över tid eller rum - skulle det vara ett tecken på en fysik utöver vad vi för närvarande förstår. Och genom att mäta dessa variationer kan vi få ledtrådar till en mer grundläggande teori om fysik.

Fysiker har utarbetat ett antal experiment för att testa de 24 konstanterna. Ett test involverar precisa atomklockor. Driften av en atomklocka beror på styrkan hos den elektromagnetiska interaktionen, elektronens massa och protonens spinn. Att jämföra atomklockor på olika platser eller observera samma atomklocka under långa perioder kan avslöja om någon av dessa konstanter förändras beroende av tid och rum..

Ett annat test gäller från urangruvan Oklo i Gabon (i Västafrika). För två miljarder år sedan fungerade platsen som en naturlig kärnreaktor under några miljoner år. Om någon av de grundläggande konstanterna var annorlunda då skulle produkterna från den radioaktiva processen, som existerar idag, vara annorlunda än förväntat. Testresultatet från detta om det är gjort har jag inte hittat (min anm.).

Om man ser i större skalor har astronomer studerat ljuset från kvasarer,  ultraluminösa objekt och som drivs av svarta hål och som finns miljarder ljusår från oss. Ljuset från dessa kvasarer har färdats enormt långt innan det nått oss och passerat på sin väg genom otaliga gasmoln som absorberat en del av dess sken. Om grundläggande konstanter var olika på skilda platser i  universum, skulle den absorptionen förändras och kvasarer i en riktning skulle se subtilt annorlunda ut än kvasarer i andra riktningar. 

I de allra största skalorna kan fysiker använda Big Bang själv som ett laboratorium. De kan använda vår kunskap om kärnfysik för att förutsäga överflödet av väte och helium som producerades under de första minuterna av Big Bang. Och de kan använda plasmafysik för att förutsäga egenskaperna hos det ljus som avgavs när vårt universum kyldes från ett plasmatillstånd till en neutral gas när universum var 380000 år gammalt. Om de grundläggande konstanterna var annorlunda för länge sedan, skulle det visa sig som en obalans mellan teori och observation.

I dessa experiment med flera har ingen någonsin observerat någon variation i de grundläggande konstanterna. Vi kan inte helt utesluta det, men vi kan sätta otroligt stränga gränser för deras eventuella förändringar. Vi vet till exempel att den fina strukturkonstanten, som mäter styrkan i den elektromagnetiska interaktionen, är densamma i hela universum till 1 del per miljard.

Medan fysiker fortsätter att söka efter en ny teori för att ersätta standardmodellen och den allmänna relativitetsteorin, verkar det som om konstanterna vi känner och använder är här för att stanna just nu. Tills vi förstår varför de behövs och visar.

Bild från https://news.azpm.org/  

Bilden är tagen av James Webb teleskopet.