Izgalmas kérdés, hogy a fizikai állandók mennyire állandók. (A Hubble-állandó csillagászati állandó, és tudjuk róla, hogy időben változik – de most a fizikai állandókról van szó.) A múlt században volt olyan kozmológiai elmélet, ami az Univerzum akkor ismert tulajdonságait azzal próbálkozott megmagyarázni, hogy a gravitációs állandó időben csökken. Noha ez az Univerzum tágulását okozhatná, de akkor a bolygópályák sem lennének stabilak, és a Naprendszerünk már rég összeomlott volna, pedig itt van még. A csillagokat is a gravitációjuk tartja egyben, a belsejükben felszabaduló magenergia (fúziós energia) tart egyensúlyt a gravitációval: ha a gravitációs állandó időben csökkenne, akkor a csillagokat a saját fúziós energiájukból származó fénynyomás repítené szét. Ez is ellentétben áll a megfigyelésekkel: a csillagokat ma is látjuk. A gravitációs állandó így időben nem változhat (vagy észrevehetetlenül kicsit, aminek nincsenek kozmológiai következményei) – de mi a helyzet a többi állandóval?
Az asztrofizikusok e kérdés megválaszolására az ún. finomszerkezeti állandót szeretik használni. A finomszerkezeti állandó cgs-egységrendszerben az elektron töltésének négyzete osztva a fénysebességgel és a Planck-állandó 2 pi-ed részével. SI-ben kifejezve még 4 pi-vel és a vákuum elektromos permittivitásával is el kell osztanunk. Vagyis SI-ben:
ahol alfával jelöltük a finomszerkezeti állandót, e az elektron töltése, h a Planck-állandó, c a fénysebesség négyzete és epszilon0 a vákuum dielektromos állandója (permittivitása).
Mindenesetre ezek mindegyike természeti állandó, és ha ezt a kombinációt megmérjük, akkor vagy egyik említett fizikai állandó sem változik az időben, vagy kettő vagy több szinkronban változik (pl. a Planck-állandó csökkenését a fénysebesség növekedése kompenzálná és további hasonló kombinációkat lehetne felírni). Mindenesetre elég valószínűtlen lenne ilyen szinkron változás.
A finomszerkezeti állandó azért jobb, mintha az egyes benne szereplő állandókat külön-külön mérnénk meg, mert ez a kombináció sok milliárd fényév tér-, és ennek megfelelő időtávolságból is mérhető, míg pl. a Planck-állandót nem tudjuk megmérni több milliárd évvel ezelőtt, csak most és a jövőben.
A finomszerkezeti állandót 1916-ban írta fel először A. Sommerfeld, amikor a hidrogén színképének finomszerkezetét tanulmányozta: a hidrogén főbb színképvonalai jobb felbontású színképelemző készülékben ugyanis több vékonyabb, egymáshoz közeli vonallá esnek szét. Sommerfeld ezeket azzal magyarázta – sikeresen -, hogy az elektron a proton körül a hidrogénben nemcsak körpályán, hanem ellipszispályán is keringhet, és a sok-sok hidrogénatomban különböző excentricitású ellipszispályák fordulnak elő, amelyek mindegyike csak egy vonalért felelős, együtt azonban kiadják a sok finom vonalat. A vonalak közötti hullámhossz-különbség éppen a finomszerkezeti állandóval arányos.
Érdekességképpen említjük, hogy igen sok helyen előfordul még: pl. Sommerfeld eredeti értelmezésében az elektronnak a hidrogénben a legkisebb sugarú körpályán meglévő sebessége szorozva a finomszerkezeti állandóval a fénysebességet adja. (A finomszerkezeti állandó dimenziótlan, és értéke 137,035999139(31), a zárójelben álló számok az utolsó két számjegy bizonytalanságát jelzik, a megelőző számjegyek biztosak.) A kvantumelektrodinamikában pedig az elektronok és a fotonok közötti erőhatásban fordul elő. A Bohr-sugár (a hidrogénbeli elektron legkisebb lehetséges pályasugara) szorozva a finomszerkezeti állandó két pi-szeresével megadja az elektron Compton-hullámhosszát. Az elektrogyenge elméletben is fontos tényezőként fordul elő az egyenletekben.
Éppen a színképvonalak előállásában játszott szerepe miatt távoli objektumok színképéből ki lehet számolni értékét.
Mivel az elektronok és a fotonok egymáson való ütközésében (pontosabban szóródásában) is szerepet kap, a Planck-műholddal megvizsgálták, hogy a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, z=1100-as vöröseltolódásnál mennyi volt az elektron tömege és a finomszerkezeti állandó értéke: akkor, amikor az Univerzum kora még csak kb. 379 ezer év volt (maga a kozmikus háttér kialakulása kb. 115 ezer évig tartott, ennek a háttérsugárzásnak az utolsó fotonjai 487 ezer éves korban keletkeztek; 379 ezer év körül e sugárzás keltésének a maximuma volt).
A kozmikus háttérsugárzásnak a Planck ESA-műhold által gyűjtött tulajdonságainak elemzésével azt találták angliai csillagászok, hogy a finomszerkezeti állandó és az elektron tömege az azóta eltelt kb. 13,7 milliárd évben nem változott, hibahatáron belül megegyezik a mai értékkel. Még pontosabban: a finomszerkezeti állandó legfeljebb 0,22%-kal (0,33%-os hibahatárral), az elektron tömege legfeljebb 0,26%-kal (0,94%-os hibahatárral) térhetett el a mai értéktől. Még szebb eredményük, hogy még azt is meg tudják mondani ezekből a mérésekből, hogy ha volt is változás, az legfeljebb minden egyes egységnyi z-változásra legfeljebb 0,05% lehetett egy hatványfüggvény szerint, de hibahatáron belül ez is nulla.
Végkövetkeztetés: a fizikai állandók igen erősen állandók voltak az utóbbi mintegy 13,7 milliárd évben, a kozmikus háttérsugárzás kialakulása óta. Ez mérési eredmény, ami sokkal szigorúbb, mint bármi elmélet. Korábbra időben nem tudunk visszatekinteni (csak gravitációs hullámokkal, de azok nem állnak kapcsolatban a finomszerkezeti állandóval, így annak mérésére sem használhatók fel).
Forrás: https://arxiv.org/abs/1705.03925
