Czy prawa fizyki są takie same w całym Wszechświecie?

Czy prawa fizyki są takie same w całym Wszechświecie? Czy są precyzyjnie dostrojone od samego początku, niezmienne w czasie i przestrzeni, czy też różnią się w przestrzeni lub czasie, tak że nasz lokalny Wszechświat jest dostosowany do naszego własnego istnienia? Analiza sygnału pochodzącego z kwazara sprzed 13 mld lat sugeruje, że niektóre prawa fizyki różnią się w zależności od miejsca i czasu i te sprzed 13 mld lat są nieco inne od naszych. Co więcej, analizy sugerują też, że wielkość tych zmian we Wszechświecie nie jest równomierna.

W badaniach opublikowanych na łamach pisma „Science Advances” uczestniczyli naukowcy z Grupy Kosmologicznej Uniwersytetu Szczecińskiego. – W naszych badaniach zastanawiamy się, czy prawa fizyki tu i teraz są takie same, jak gdzieś indziej, dawno temu. I okazuje się, że nie – mówi w rozmowie z Polską Agencją Prasową prof. Mariusz P. Dąbrowski z Uniwersytetu Szczecińskiego. A to – jego zdaniem – ma pewne konsekwencje filozoficzne.

Jak wyglądał Wszechświat dawno temu, w odległych galaktykach?

Światło porusza się ze skończoną prędkością. A przez to, obserwując odległe obiekty, możemy “podróżować w czasie”. Kiedy patrzymy na Słońce, widzimy światło niosące informacje o tym, co działo się na najbliższej nam gwieździe 8 minut temu. Ale kiedy wpatrujemy się w najjaśniejsze gwiazdy konstelacji Oriona – Betelgezę i Riegla – stajemy się już świadkami procesów sprzed odpowiednio 427 i 720 lat. I tak obserwując coraz dalej położone obiekty astronomiczne, możemy mieć wgląd w coraz dalszą przeszłość. A dzięki temu poznawać, jak wyglądał Wszechświat dawno temu, w odległych galaktykach.

Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Johna Webba przeanalizował światło z kwazara ULAS J1120+0641 (to jądro aktywnej galaktyki) znajdującego się niewyobrażalnie daleko, bo aż 13 mld lat świetlnych stąd. Badacze dostali w ten sposób wgląd w to, jak wyglądały prawa fizyki w bardzo młodym Wszechświecie.

– Sięgnęliśmy do kwazara, który powstał miliard lat po Wielkim Wybuchu. Stwierdziliśmy, że pewna stała fizyczna – tzw. stała struktury subtelnej (alfa) – mogła być w tamtym okresie mniejsza niż jest teraz – streszcza naukowiec. Dodaje, że stała struktury alfa mówi, jak przyciągają się ładunki elektryczne.

Oddziaływania elektromagnetyczne
My, ludzie (i wszystko, co widzimy wokół siebie), jesteśmy spajani w całość oddziaływaniem elektromagnetycznym. To od niego zależą oddziaływania ładunków elektrycznych czy wiązania chemiczne. A wielkością, która opisuje te oddziaływania jest właśnie stała alfa.

Od wielkości tej stałej zależy np., jak mocno przyciągają się cząstki. Jeśli stała ta miałaby większą wartość niż teraz, cząstki silniej by się przyciągały, a materia byłaby bardziej “zwięzła”. Tymczasem mniejsza stała – jak w części Wszechświata, z której pochodzi odległy kwazar – oznacza, że materia ta może być ze sobą słabiej związana.

Jaki to ma związek z życiem? – Z wcześniejszych obliczeń wynika, jakie są limity rozmiarów zwierząt na Ziemi. Największym zwierzęciem na Ziemi był brachiozaur. Jego rekord trudno pobić, bo każde większe zwierzę pod wpływem własnego ciężaru najpewniej połamałoby się. Gdyby jednak stałe fizyczne miały tu u nas inną wartość, to inne byłyby i ograniczenia wielkości organizmów. Mniejsza stała alfa mogłaby więc oznaczać, że mogłyby powstawać większe organizmy – obrazuje naukowiec.

Stała alfa

To, ile wynosi więc dokładnie stała alfa przekłada się na to, jakie kształty mają gwiazdy, układy planetarne, a potencjalnie – również i życie. Nowa wiedza o prawach obowiązujących w innych częściach Kosmosu może więc zmienić podejście do tego, jakich poszukujemy obiektów i… obcych form życia.

To, że miliardy lat świetlnych stąd prawa fizyki były nieco inne, to jednak nie wszystko, co pokazują światu autorzy nowych badań. Ich prace potwierdzają też, że zmiany tych praw fizyki nie są we Wszechświecie jednorodne. A to oznacza, że Kosmos nie jest tak symetrycznym miejscem, jak można było dotąd przypuszczać.

– Z większości dotychczasowych obserwacji wynika, że Wszechświat się rozszerza, a rozszerzanie zachodzi jednakowo we wszystkich punktach i we wszystkich kierunkach. Jak nadmuchiwany balon, na którym litery się jednakowo rozciągają niezależnie od tego, w którym są miejscu. Ostatnio jednak coraz więcej jest sygnałów, że możemy mieć we Wszechświecie do czynienia z kosmicznymi dipolami. A dipol to układ dwóch ładunków elektrycznych, które wyróżniają jakąś linię – opowiada naukowiec.

W przypadku rozkładu stałej struktury subtelnej we Wszechświecie możemy mieć do czynienia właśnie z takim brakiem symetrii. – Jeżeli jakieś punkty są w tej samej odległości od nas – np. 13 mld lat świetlnych stąd – ale na jeden patrzymy w kierunku północnym, a na drugi – w kierunku zachodnim, to może się okazać, że wartość stałej struktury subtelnej będzie tam inna. A to oznacza że zmiana tej stałej we Wszechświecie jest niejednorodna – mówi prof. Dąbrowski.

A stąd wniosek, że nie każdy punkt i kierunek we Wszechświecie jest jednakowo ważny. Są punkty i kierunki ważniejsze niż inne. Naukowcy wskazali teraz dokładniej, jak ich szukać.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl

Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago
Michael R. Wilczynska, John K. Webb, Matthew Bainbridge, John D. Barrow, Sarah E. I. Bosman, Robert F. Carswell, Mariusz P. Dąbrowski, Vincent Dumont, Chung-Chi Lee, Ana Catarina Leite, Katarzyna Leszczyńska, Jochen Liske, Konrad Marosek, Carlos J. A. P. Martins, Dinko Milaković, Paolo Molaro and Luca Pasquini

Science Advances 24 Apr 2020:
Vol. 6, no. 17, eaay9672
DOI: 10.1126/sciadv.aay9672

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaay9672