Tants peenstruktuuri konstandi ümber

Mõni nädal tagasi põhjustasid veidi üllatavad eksperimentaalsed tulemused üpriski palju meediakära. Aktiivsete galaktikate tuumade, kvasarite, spektrivaatlused näivad viitavat, et füüsikas elektromagnetismi tugevust kirjeldav peenstruktuuri konstant on ühes universumi otsas veidi erinev kui teisel pool. Artikli mustand on leitav siin.

Tulemus on märkimisväärne, kui see tõsi oleks. Peenstruktuuri konstant (α) on üks füüsika kõige fundamentaalsemaid parameetreid. Seega muudaks see teoreetikute argipäeva väga palju, kui tegu ei oleks konstandiga. Kuid kui tõenäoline see on?

Praegu oleks õige hetk meenutada ütlust: „erakorsed väited nõuavad erakordseid tõendeid.“ Kohe kindlasti on see erakordne väide, kuid tõendid kipuvad lahjaks jääma. Võib-olla paljastavad edasised vaatlused tõepoolest „erakordseid tulemusi,“ kuid praegu pole veel mõtet ennast elevile ajada.

Chad Orzel selgitab suurepäraselt, miks peaksime eksperimentaatori vaatenurgast tulemuste suhtes skeptiline olema. Kõik taandub alltoodud joonisele. Kaardil on kujutatud vaadeldud kvasareid, kus punane näitab veidi väiksemat α väärtust ning sinine oodatust suuremat α väärtust. Nagu Orzel rõhutab, on suured punased täpid peamiselt ringid, mil suured sinised punktid on peamiselt ruudud.

See on üpris oluline, kuna kaks erinevat kuju esindavad erinevaid teleskoope. Ringid märgivad Kecki teleskoobi tulemusi, mil ruudud tähendavad Väga Suure Teleskoobi kogutud andmeid. Natukene kahtlane on, et peamine mõõdetud α väärtuste erinevus tuleneb erinevatelt kasutatud instrumentidest.

Kuid nüüd täiesti teise nurga alt vaadatuna on ka teoreetikutel väga hea põhjus skeptiline olla, millest ma rääkida tahangi. Teoreetilisi arutlusi toetavad alati vaatlustega kogutud kivikõvad andmed. Kui need on natukene vähem kindlad, oleks mõttekas arvesse võtta, mida me arvame juba ennast füüsikast teadvat.

Arutluse põhiline argument on skalaarvälja idee. Tegelikult on see lihtsalt üks füüsika uhkelt kõlavatest terminitest mingist suurusest rääkimiseks, mis võtab igas aegruumi punktis unikaalse numbrilise väärtuse. Kvantväljateoorias viitavad skalaarväljad ilma spinnita osakestele, mida on näiteks Higgsi osakeste poolt tekitatav väli. Teised osakesed nagu elektronid ning footonid põhinevad keerukamatel geomeetrilistel objektidel nagu spiinoritel ja vektoritel.

Peenstruktuuri konstant on üks skalaarväljadest. Harilikult me selle peale niimoodi ei mõtle, kuna me kasutame „välja“ mõistet millegi sellise jaoks, mis ei ole erinevates punktides samasugune. Tegelikult on meil täielik õigus seda teha.

Seega, kuigi oleks imestust tekitav ning Nobeli vääriline näidata, et peenstruktuuri konstant on ruumis erinev, ei oleks seda raske olemasaolevasse kvantväljateooriasse sisse sobitada. Sa võid võtta lihtsalt skalaarvälja ning lubada sellel ruumis ja ajas muutuda, kuigi harilikult kõneldakse skalaarväljast kui konstandist.

See ei ole otseloomulikult kogu lugu. Kui väli punktist-punkti varieerub, siis need muutused kannavad endas energiat. Mõelge vedru tõmbamisest või metallitüki väänamisest. Skalaarvälja energia jaoks on tähtsad kolm komponenti. Aja jooksul muutuvast väljast tuleneb kineetiline energia, gradient energia välja muutumisest ruumis ning potentsiaalne energia on seostatav välja väärtusega igas punktis, hoolimata selle muutumisest.

Peenstruktuuri konstandi puhul näitavad vaatlused, et see muutub universumi ühes otsas võrreldes teisega üpris vähe. Seega me ei oota, et gradiendi energia oleks väga suur ning sellest johtuvalt ei ole mõtet ka kineetilisest energiast väga palju oodata.