Největší omyl kosmologie? Jedna ze základních konstant nejspíš není konstantní

Fyzikální konstanty obvykle považujeme za pevně dané. Proto se přece jmenují tak, jak se jmenují. Měly by být vždy stejné, ať už se nacházíme kdekoliv v prostoru a čase. Vyplývají z nich zákonitosti fyziky, podle nichž funguje celý vesmír. Jenže dle určitých názorů přinejmenším některé konstanty úplně neměnné nejsou…

Patří mezi ně i konstanta jemné struktury, známá též jako Sommerfeldova a obvykle označovaná řeckým písmenem alfa. Vyjadřuje sílu elektromagnetické interakce a jde o bezrozměrnou veličinu: Odvozuje se od elementárního náboje, tj. nejmenšího možného elektrického náboje, od Planckovy konstanty, rychlosti světla ve vakuu a permitivity vakua, která souvisí s elektrickým polem.

Stále chybí vysvětlení

V rámci kvantové elektrodynamiky alias QED (z anglického „quantum electrodynamics“), která se zabývá elektrodynamickými interakcemi mezi objekty v atomárním a subatomárním měřítku, hraje konstanta jemné struktury roli konstanty vazbové. Určuje, jak částice elektromagnetického záření čili fotony interagují s elektricky nabitými částicemi, jako jsou třeba elektrony, miony či tauony.

Na Sommerfeldově konstantě je pozoruhodné, že ji vědci ani po víc než sto letech, kdy o ní víme, nedovedou teoreticky vysvětlit. Je nutné ji experimentálně změřit a na Zemi tak činíme s velkou přesností. V současné době se přijímá její hodnota vyjádřená zlomkem 1/137,035999084, s určitou nepatrnou mírou nejistoty.

Na Zemi i v hlubokém kosmu

Uvedenou konstantu lze měřit nejen na Zemi, ale díky astrofyzikálním pozorováním také v hlubokém vesmíru. Dá se studovat prostřednictvím záření vzdálených galaxií, především kvazarů. A popsané výzkumy v některých případech naznačují, že by nemusela být až tak neměnná.

Když foton zasáhne atom, je absorbován pouze tehdy, pokud jeho energie odpovídá energii potřebné k přechodu elektronu dotyčného atomu na vyšší energetickou hladinu. Elektrony, jež se přesunou na vyšší energetickou hladinu, jsou ovšem nestabilní. Mají tendenci se vracet zpět, přičemž se vyzáří foton, jehož vlnová délka koresponduje s původně absorbovaným fotonem. Konstanta jemné struktury určuje, jak elektrony interagují s jádrem příslušného atomu. A pokud by se změnila, měla by se změnit i vlnová délka záření, které atomy absorbují.

A přece se mění

V roce 1998 se tým odborníků v čele s astrofyzikem Johnem Webbem z University of New South Wales zaměřil na Sommerfeldovu konstantu v různých galaxiích a jejich úsilí přineslo pozoruhodné výsledky naznačující, že v období před 12–6 miliardami let byla její hodnota nepatrně vyšší. Zvýšení nebylo tak velké, aby podstatně ovlivnilo fyziku tehdejšího vesmíru; ale stačilo k tomu, aby daná konstanta upoutala pozornost vědců. Od té doby badatelé analyzují záření dalších hvězdných ostrovů a snaží se záležitost osvětlit.

O dvanáct let později zveřejnil Webb s kolegy novou studii, která zahrnovala analýzy absorpčních spekter asi tří stovek kvazarů. Tentokrát byly závěry přesvědčivější než v roce 1998 a hodnota konstanty jemné struktury se podle nich mění ještě víc než v původních odhadech. Také se přitom zdá, že popsaná veličina není všude v kosmu úplně stejná.

Potvrzená porucha?

Pokud Sommerfeldova konstanta opravdu nabývá v odlišných oblastech vesmíru různých hodnot, mělo by to pro celou fyziku dramatické následky. Jak říká Webbův kolega astronom Michael Murphy ze Swinburne University of Technology v Melbourne, je to stejné jako někdejší zjištění, že se perihelium oběžné dráhy Merkuru stáčí přibližně o jeden stupeň za šest let. Newtonovými zákony to nebylo možné vysvětlit a průlom přinesla až Einsteinova obecná teorie relativity, jež nabídla úplně nový koncept gravitace.

Potvrzení „poruchy vesmíru“ – tedy toho, že se konstanta jemné struktury či nějaká jiná podobná fyzikální konstanta mění podle místa pozorování – by zpochybnilo základní teorie o fungování kosmu, jako je třeba standardní model částicové fyziky. Podle Murphyho bychom v takovém případě museli přijít s nějakou novou teorií, jež by se mohla podstatně lišit od těch současných. Vědec je přesvědčen, že by pak proměnlivá Sommerfeldova konstanta sloužila coby vodítko k tomu, co máme vlastně hledat.

Přesně na míru

Jestliže by se zmíněná konstanta podstatněji lišila od své nynější hodnoty, vesmír by pravděpodobně vypadal výrazně jinak. Život, jak ho známe, by se nejspíš vůbec neobjevil. Pokud by byla hodnota konstanty výrazně nižší, elektricky nabité částice by na sebe působily slaběji. Kovalentní vazby, jež drží pohromadě molekuly, by příliš nefungovaly – za nižších teplot by se rozpojovaly. Bez molekul by neexistovalo skoro nic, včetně extrémně významné vody, a rozhodně by nebyl žádný život, který se nevyhnutelně pojí s velkými molekulami.

Kdyby byla hodnota konstanty jemné struktury naopak vyšší, protony by se navzájem odpuzovaly do té míry, že by atomová jádra nedržela pohromadě. Za takových okolností by nemohla probíhat jaderná fúze v nitru hvězd, takže by nevznikl uhlík, na němž stojí život pozemského typu. Jak se zdá, máme štěstí, že Sommerfeldova konstanta nabývá přesně takové hodnoty, aby náš vesmír fungoval. Příčinu však nikdo nezná. Pokud se uvedená veličina napříč kosmem mění, pak by dávalo smysl, že se život objevil tam, kde to její hodnota umožnila.

Malé nedopatření

Výzkum Jamese Webba a jeho kolegů z let 2011 a 2012 rovněž naznačoval, že by se konstanta jemné struktury mohla měnit napříč vesmírem. Vědci vycházeli z pozorování Keckovými dalekohledy na Havaji a soustavou Very Large Telescope v Chile. Jejich výsledky opět ukazovaly na mírně odlišné hodnoty zmíněné veličiny zhruba v době před deseti miliardami roků.

V letech 2013–2015 však Murphy a další odborníci narazili na určité problémy se spektry záření kvazarů z velkých pozemských optických teleskopů. Spektrografy uvedených dalekohledů, jež se využívají k analýzám záření, ovlivňovaly podle badatele spektra kvazarů způsobem, který mohl vyvolat dojem, že se hodnota konstanty jemné struktury ve vesmíru mění. Vědci ovšem zároveň dodávají, že popsané nedopatření nemusí vysvětlovat všechny předchozí výsledky, jež ukazovaly na změny konstanty. 

Od té doby se odborníci přou, zda data z analýz záření kvazarů její proměny ukazují, či nikoliv. Webb s kolegy výsledky Murphyho týmu v roce 2017 popřel a tvrdil, že je nelze vztáhnout na veškeré rozbory chování Sommerfeldovy konstanty ve vesmíru. Poté zas následovala studie Murphyho a jeho spolupracovníků, podle níž je daná konstanta s velkou přesností opravdu neměnná.

Kvazar z úsvitu vesmíru

Práce Webbovy skupiny z roku 2020 se zabývala velmi vzdáleným kvazarem J1120+0641, který pozorujeme v kosmu starém pouhých 750 milionů let. Odborníci využili tři mračna plynu, sledovaná ve vesmíru, jehož stáří dosahovalo asi jedné miliardy roků. Aby odvodili příslušné hodnoty konstanty jemné struktury, uplatnili při analýze spekter záření kvazaru genetický algoritmus, který v sérii opakovaných kroků odstranil fyzikálně nereálná řešení a zároveň zohlednil interferenci záření z dalších zdrojů. Badatelé takto dospěli k závěru, že Sommerfeldova konstanta zůstává v průběhu větší části historie kosmu stejná.

Zároveň se potvrdila nedávná měření z předchozí studie výzkumného týmu prakticky v identickém složení, podle níž se konstanta jemné struktury nepatrně mění napříč vesmírem, a to velmi zvláštním způsobem – v jednom směru. Působí to dojmem, jako by v kosmu existovala osa, kterou vědci označují jako dipólovou. I popsané výsledky jsou ovšem přijímány spíš rezervovaně a stále zbývá mnoho prostoru pro dohady.