En nog is niet bekend of de Fijn-Structuur Constante echt constant is

Zijn de natuurconstanten echt constant?

Zijn de natuurconstanten constant? Dat is een vraag die de natuurkundigen al tientallen jaren bezig houdt. De lichtsnelheid c bijvoorbeeld – 299 792 458 m/s volgens alle leerboekjes – heeft die altijd die waarde gehad of is er gedurende de evolutie van het heelal ook een veranderende waarde van c? Er zijn natuurkundigen die vermoeden dat de natuurconstanten héél geleidelijk veranderen en dat zou met name te meten zijn aan de zogenaamde Fijn-Structuur Constante α, welke de sterkte van de electromagnetische wisselwerking bepaalt, één van de vier natuurkrachten. Het is een dimensieloze constante die hier en nu op 1/137.035999074 wordt gesteld. Er zijn eerder al pogingen gedaan om de mogelijke verandering van α te meten, namelijk door onderzoek aan het licht van waterstofgas in ver weg gelegen quasars – actieve sterrenstelsels met een superzwaar zwart gat in hun kern – dat onderweg naar aarde deels wordt geabsorbeerd door tussenliggende gaswolken, hetgeen leidt tot donkere absorptielijnen in het spectrum. Onderzoek aan die lijnen geeft de onderzoekers een indruk van de sterkte van de electromagnetische kracht in die quasars. Echte duidelijkheid gaf dat echter niet en daarom heeft men nu de hoop gevestigd op een zelfde soort onderzoek, maar dan met hydroxyl moleculen in plaats van waterstofatomen. Die moleculen bestaan uit een combinatie van zuurstof- en waterstofatomen en de absorptie van dergelijke gaswolken tussen de quasar en de aarde zou een beter resultaat moeten geven. Maar een groep sterrenkundigen onder leiding van Nissim Kanekarat (National Centre for Radio Astrophysics in Pune, India) keek naar de 6,7 miljard lichtjaar ver weg gelegen quasar genaamd PMN J0134−0931 en de resultaatverwachting dat de absorptie van diens licht door tussenliggende hydroxylmoleculen iets kon laten zien van een veranderende constante α kon niet worden waargemaakt. Uit de metingen kan je zowel afleiden dat de constante varieert als dat de variatie nul is, dus dat schiet ook niet op. Boosdoener was waarschijnlijk een tweede tussenliggende hydroxylwolk, die de boel in de ar schopte. Het wachten is nu op de Square Kilometre Array (SKA), een reusachtige nog te bouwen radiotelescoop, die komt te bestaan uit duizenden kleine radioantennes, die verspreid op Aarde zullen staan. Die zal – hoopt men – in staat zijn de hydroxyl wolken gedetailleerd waar te nemen en wellicht de variabiliteit van α. Bron: New Scientist.’,

Electromagnetische kracht varieert wellicht in het heelal

Voorbeeld van een spectrum van een ver verwijderde quasar. Credits: Quasar spectrum: Michael Murphy, Swinburne University of Technology;  Hubble Ultra Deep Field: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team.

Van de natuurconstanten wordt verondersteld dat ze – zoals de naam al doet vermoeden – constant zijn, dus altijd en overal in het heelal onveranderlijk. De lichtsnelheid c zou dus hier op aarde 299 792 458 m/s zijn, maar ook in een ver verwijderd sterrenstelsel en ook lang lang geleden. En toch heeft een team van Engelse en Australische onderzoekers aanwijzingen gevonden dat één natuurconstante wellicht varieert: het gaat om α, de fijn-structuurconstante, welke de sterkte van de electromagnetische wisselwerking bepaalt, één van de vier natuurkrachten. Er was eerder al een vermoeden dat deze constante helemaal niet zo constant is, een vermoeden dat gebaseerd was op onderzoek aan het licht van de quasars – actieve sterrenstelsels met een superzwaar zwart gat in hun kern – dat onderweg naar aarde deels wordt geabsorbeerd door tussenliggende gaswolken, hetgeen leidt tot donkere absorptielijnen in het spectrum. Onderzoek aan die lijnen geeft de onderzoekers een indruk van de sterkte van de electromagnetische kracht in die quasars. Het aantal onderzochte quasars heeft men verdubbeld, van 150 naar 300 waargenomen quasars, en daaruit werd bevestigd wat men eerder al vermoedde:  de metingen gedaan met de Keck-telescopen op Hawaï geven aan dat α vroeger een fractie kleiner was, terwijl de metingen gedaan met de VLT in Chili zeggen dat α juist groter was! In de richting waarheen de VLT kijkt is de electromagnetische kracht dus een fractie groter dan waarheen Keck kijkt. Bij Keck kijken ze naar de noordelijke sterrenhemel en bij VLT naar de zuidelijke hemel, dus de conclusie ligt voor de hand dat er niet alleen sprake is van een variatie van α in tijd maar óók in ruimte. De variabiliteit van α is koren op de molen van sommige Theorieën van Alles, die voorspellen dat in andere gedeelten van dit heelal – of zelfs in andere heelallen – andere natuurconstanten mogelijk zijn. Meer info over de waarnemingen aan de 300 quasars zijn te vinden in dit wetenschappelijke artikel. Bron: Swinburne Universiteit.

 

Natuurconstante gemeten met grafeen

Credit: University of Manchester,

Een team natuurkundigen onder leiding van Professor Andre Geim (Universiteit van Manchester) heeft met behulp van het dunste materiaal ter wereld, grafeen genaamd, nauwkeurige metingen gedaan aan de zogenaamde fijn-structuur constante. De fijnstructuurconstante, weergegeven met het symbool α en in 1916 bedacht door Arnold Sommerfeld, is in feite een koppelingsconstante die aangeeft hoe sterk de kracht is van de elektromagnetische interactie tussen elektrisch geladen deeltjes en fotonen. De waarde van α is op dit moment

Zou de waarde van α een tikkeltje anders zijn, dan zouden jullie deze astroblog niet kunnen lezen. Sterker nog, er zou geen koolstofatoom in het heelal kunnen ontstaan en daarmee nergens een vorm van leven! Geim ontdekte grafeen in 2004, een soort gaas van koolstofatomen van slechts één atoom dikte. Met wat studenten wist Geim een soort doorzichtige folie van grafeen te maken en daar liet hij licht doorheen schijnen. Uit deze experimenten bleek dat 2,3% van het licht geabsorbeerd werd door het grafeen. Nou wil de achterliggende theorie beweren dat α gelijk moet zijn aan die hoeveelheid geabsorbeerde fotonen. Stop het in een rekenmachine en je krijgt 3,14 * 1/137 = 0,0229… Hé, dat komt overeen met de waarnemingen! In feite is het meest verrassende van het experiment van Geim en consorten dat het zo supereenvoudig is. Een velletje superdun grafeen, een lichtbron die er doorheen schijnt en een camera om de absorptie van het licht te meten. Of zoals Geim het zelf zegt: “One can have a glimpse of the very foundations of our universe just looking through graphene.” Hoe eenvoudig kan het leven soms zijn. 🙂 Een artikel van Geim et al over hun experimenten verscheen gisteren in Science Express, de online versie van het Amerikaanse vakblad Science. Bron: ScienceDaily.