Η θεωρία της μεταβαλλόμενης ταχύτητας του φωτός

Οι θεωρίες που προβλέπουν μεταβλητή ταχύτητα του φωτός, προτάθηκαν πρώτα από τον John Moffat του πανεπιστημίου του Τορόντο, εξελίχθηκαν τα τελευταία χρόνια από τον João Magueijo του Imperial College, τον John Barrow και τον Andreas Albrecht του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Νταίηβις, ως εναλλακτική λύση αντί για τα πληθωριστικά μοντέλα της κοσμολογίας. Αυτές οι θεωρίες μπορούν να εξηγήσουν τις μεταβολές στην τιμή της ταχύτητας του φωτός C κατά τα αρχικά στάδια του Σύμπαντος.

Speed-of-light-variable

Η προέλευση αυτής της θεωρίας είναι αρκετά απλή. Ο Magueijo δεν συμπάθησε τη θεωρία του πληθωρισμού επειδή σήμαινε ότι ένας νέος τύπος σωματιδίου έπρεπε να υπάρχει πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη (big bang): σωματίδια αντι-βαρύτητας. Το γεγονός ότι δεν έχουμε κανένα πειραματικό στοιχείο για αυτά τα σωματίδια είναι σήμερα ένα ανησυχητικό σημάδι για τον πληθωρισμό. Πώς όμως μπορεί μια ολόκληρη οικογένεια σωματιδίων να υπάρχει με σκοπό να προκαλέσει μια γρήγορη διαστολή στον Κόσμο και έπειτα (επειδή μας βολεύει) να εξαφανίζεται;

Ας υπενθυμίσουμε ότι η θεωρία του πληθωρισμού του Guth δημιουργήθηκε για να λύσει μερικά κρίσιμα ζητήματα στο παρατηρούμενο σύμπαν: το πρόβλημα του ορίζοντα, της επιπεδότητας και του μονόπολου. Ο Magueijo έπρεπε να βρει μια αντίπαλη θεωρία του πληθωρισμού που θα επίσης θα τα έλυνε. Πρότεινε λοιπόν ότι το πρόβλημα του ορίζοντα θα μπορούσε να λυθεί, εάν το φως θα μπορούσε να ταξιδέψει σε μεγάλες αποστάσεις πολύ γρήγορα και με αυτόν τον τρόπο να μεταφέρει "πληροφορίες" σε θέσεις, που σήμερα χωρίζονται από τόσο μεγάλες αποστάσεις και στις οποίες το φως δεν πρόλαβε ποτέ να  φθάσει (οι φυσικοί αναφέρονται συνήθως σε πληροφορίες σαν κάτι συνώνυμο με το φως). Για να συμβεί αυτό, η ταχύτητα του φωτός θα έπρεπε να είναι γρηγορότερη στον πρώιμο Κόσμο από όσο είναι σήμερα.

Η κοσμολογία δέχεται ότι το φως έπρεπε να διαδίδεται τουλάχιστον εξήντα φορές γρηγορότερα στο απόμακρο παρελθόν, ώστε να προλάβαινε να ταξιδέψει ή να έφερνε σε ‘επαφή’ δύο απόμακρα σημεία του σύμπαντος, ώστε να έχουν την ίδια μορφή αργότερα.

Η άποψη αυτή προκαλεί σοκ και φρίκη στην κοινότητα της φυσικής. Η θεωρία του Αλβέρτου Αϊνστάιν της σχετικότητας κατηγορηματικά δηλώνει ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή: περίπου 299 792.458 km/s, τίποτα περισσότερο και τίποτα λιγότερο. Ο Magueijo υποστηρίζει ότι δεν επιδιώκει να έρθει σε αντίθεση με οτιδήποτε μας λέει η σχετικότητα (που έχει αποδειχθεί πειραματικά), αλλά να επεκτείνει τη θεωρία.

lightspeed_620Η διαπίστωση ότι η ταχύτητα του φωτός C μεταβάλλεται, θα είχε βαθιές συνέπειες για τη φυσική. Για παράδειγμα, η αρχή της ισοδυναμίας, ένας από τους θεμέλιους λίθους της Σχετικότητας, λέει ότι σε συστήματα αναφοράς που εκτελούν ελεύθερη πτώση, τα συμπεράσματα για οποιοδήποτε πείραμα δεν εμπλέκει την βαρύτητα, είναι ανεξάρτητα από το πότε και πού εκτελέστηκε το πείραμα.  Έτσι, μεταβολές στην τιμή της C θα συνιστούσαν παραβίαση της αρχής της ισοδυναμίας.

Η θεωρία του, που λέγεται Μεταβαλλόμενη Ταχύτητα του Φωτός (VSL), μπορεί να λύσει το πρόβλημα της επιπεδότητας. Κι αυτό γιατί ο Magueijo βρήκε με μαθηματική απόδειξη ότι υπάρχει σχέση μεταξύ της ταχύτητας του φωτός και της κοσμολογικής σταθεράς Λ! Και μάλιστα ήταν μια πολύ κομψή σχέση: εάν η ταχύτητα του φωτός μειώνεται, η Λ επίσης μειώνεται. Στην μαθηματική ορολογία, λέμε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι κατευθείαν ανάλογη προς το ενεργειακό περιεχόμενο του κενού χώρου.

Έτσι, η ταχύτητα του φωτός ήταν η γρηγορότερη στην αρχή του Κόσμου, και η Λ (σύμφωνα με τη θεωρία) δεν ήταν μηδέν. Όταν η ταχύτητα του φωτός άρχισε να μειώνεται, η ενέργεια του κενού όπως καθορίζεται από τη Λ επίσης μειώθηκε, δηλ. η ενέργεια χάθηκε. Εντούτοις, λόγω της αρχής της διατήρησης της ενέργειας και της μάζας, η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί εκ του μηδενός ούτε να καταστραφεί, μπορεί μόνο να αλλάξει από τη μια μορφή στην άλλη. Έτσι, όταν η ενέργεια χάνεται από την κοσμολογική σταθερά Λ, δεν μπορεί να χαθεί αλλά πρέπει να μετατραπεί σε μια άλλη μορφή. Έτσι μετατράπηκε σε ακτινοβολία, ύλη, θερμότητα, φως και όλες τις άλλες μορφές ενέργειας που ξέρουμε. Σε τέτοια συγκέντρωση, αυτή η έκρηξη της ενέργειας θα προκαλούσε αναμφισβήτητα μια μάλλον μεγάλη έκρηξη: σε αυτήν την περίπτωση, την ίδια τη Μεγάλη Έκρηξη ή το big bang όπως αλλιώς λέγεται.

Επειδή η ταχύτητα του φωτός έχει τον έλεγχο της ενέργειας στον κόσμο, ο Magueijo υποστηρίζει ότι μπορεί να διατηρήσει τον Κόσμο γενικά "επίπεδο", εξισώνοντας τις τυχόν αποκλίσεις στην ενέργεια του κενού οποιαδήποτε στιγμή. Κατά συνέπεια, λύνεται και το πρόβλημα της επιπεδότητας, και τα επίπεδα σύμπαντα δεν μπορούν να παραγάγουν τυχόν μονόπολα.

Μήπως υπάρχουν αποδείξεις για αυτήν την θεωρία;

Για κάτι που φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με ένα βασικό σημείο στη θεωρία του Αϊνστάιν, μια παγκοσμίως αποδεκτή άποψη για τη φυσική, η θεωρία VSL έχει μια εκπληκτική ποσότητα αποδεικτικών στοιχείων για να υποστηριχθεί. Το φως έρχεται από τα πιο μακρινά μέρη του σύμπαντος, από πηγές σαν τα κβάζαρ που απέχουν δισεκατομμύρια έτη φωτός. Το φως αυτό έχει ξεκινήσει από στιγμές που το σύμπαν ήταν πολύ νεαρό και έτσι μπορεί να μας πει κάτι για την ταχύτητα του στο νεαρό σύμπαν. Όταν το φως από τα κβάζαρ, περίπου, δέκα δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά περνά μέσω νεφελωμάτων αερίου στο διάστημα, συγκρούεται με τα ηλεκτρόνια, και ως εκ τούτου υφίσταται μετρήσιμες αλλαγές. Έχει διαπιστωθεί ότι αυτές οι αλλαγές είναι διαφορετικές από το μακρινό και παλαιότερο φως, σε σχέση με το φως από τις πηγές πιο κοντά σε μας. Ο Magueijo θεωρεί αρκετά σημαντικό αποδεικτικό στοιχείο ότι οι ιδιότητες του φωτός ήταν πολύ διαφορετικές στο παρελθόν.

Η σταθερά λεπτοδομής α

Συγκεκριμένα τα νέφη του αερίου μεταξύ της Γης και των κβάζαρ απορροφούν εκλεκτικά από αυτό το φως συγκεκριμένα μήκη κύματος και παράγουν τις φασματικές γραμμές. Το διάστημα των γραμμών απορρόφησης εξαρτάται από έναν από τους πιο θεμελιώδεις αριθμούς της φύσης: τη σταθερά λεπτής υφής ή λεπτοδομής, που συμβολίζεται με το άλφα α.

Η σταθερά άλφα είναι κάτι που χτίζεται στον ίδιο το σκελετό του Σύμπαντος. Είναι ένας αδιάστατος αριθμός, η αναλογία μεταξύ τεσσάρων φυσικών σταθερών: τη ταχύτητα του φωτός, της κβαντικής ενεργειακής σταθεράς, του φορτίου του ηλεκτρονίου και του π. Αριθμητικά ισούται με α=(1/4πε0)e2/hc=1/137.036. Άρα μια μεταβολή της ταχύτητας του φωτός μεταβάλει και τη σταθερά α. Σήμερα γνωρίζουμε ότι αυτή η σταθερά είναι μια σταθερά συζεύξεως, που μετρά την ισχύ της αλληλεπιδράσεως μεταξύ ενός φορτισμένου ηλεκτρικά σωματιδίου και του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Στα φάσματα πολλών ατόμων, αυτό που χονδρικά φαίνεται να είναι μια γραμμή, όταν το παρατηρήσουμε πιο προσεχτικά αποδεικνύεται ότι είναι δύο ή περισσότερες γραμμές που βρίσκονται η μία πολύ κοντά στην άλλη. Ο λόγος της αποστάσεως μεταξύ των γραμμών λεπτής υφής προς την απόσταση μεταξύ των γραμμών του χονδρικού φάσματος, είναι ανάλογος με το τετράγωνο της σταθεράς α.   Αν λοιπόν η ταχύτητα του φωτός στα πρώτα στάδια του σύμπαντος ήταν μεγαλύτερη και η σταθερά α θα ήταν διαφορετική τότε και αυτό θα φαίνεται στα φάσματα του φωτός που μας έρχεται από τα κβάζαρ.

Το 2002 ο αστροφυσικός John Webb, του Πανεπιστημίου της Νότιας Νέας Ουαλίας στην Αυστραλία, αναλύοντας το φως που προέρχεται από απόμακρα κβάζαρ είδε ότι η θεμελιώδης φυσική σταθερά α μπορεί να έχει ελαφρώς αυξηθεί κατά τη διάρκεια των προηγούμενων έξι δισεκατομμυρίων ετών. Η σταθερά λεπτής υφής α,  μπορεί να ήταν μικρότερη στους πρώιμους χρόνους του Σύμπαντος περίπου κατά ένα μέρος προς 105 .

Αν τελικά τα αποτελέσματα με τα κβάζαρ επιβεβαιωθούν, οι ιδέες μας για το χώρο και το χρόνο είναι σίγουρο ότι θα υποστούν ριζικές αλλαγές. Ποιός ξέρει πώς όλη αυτή η ιστορία θ’ αλλάξει τη θεμελιώδη κατανόησή μας για το Σύμπαν;