Je leest:

Constant genoeg?

Constant genoeg?

Hoe constant zijn de peilers van de natuurkunde? De afgelopen 60 jaar hebben natuurkundigen zich over die vraag gebogen. Sinds kort kunnen ze meten of de lichtsnelheid, elektronmassa en andere constantes niet langzaam veranderen. Een van de onderzoeksgroepen werkt aan de Amsterdamse VU.

Fysici van het Lasercentrum VU in Amsterdam hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan de discussie over de stabilitieit van natuurkundige constanten. Wim Ubachs (hoogleraar Atoom- en Laserfysica aan de VU) en Elmar Reinhold (Laboratoire Aimé Cotton in Parijs) vergeleken precisiemetingen in een laboratorium met het miljarden jaren oude waterstofspectrum van verre quasars. Dat zijn extreem heldere sterrenstelsels, ver van ons verwijderd. Door die afstand zien wij de quasars, zoals ze er in het verre verleden uitzagen. Het licht ervan heeft een flink deel van de leeftijd van het heelal nodig gehad om ons te bereiken. Met dat licht stelden Ubachs en Reinhold vast, dat de verhouding tussen proton- en elektronmassa in de loop der tijd niet meetbaar is veranderd.

Het experiment is mogelijk door het gebruik van een unieke laser, die in het Lasercentrum VU gebouwd is in de afgelopen jaren. Het gaat om een laser in het golflengtedomein van het extreme ultraviolet (XUV, gedefinieerd als golflengtes korter dan 100 nanometer), die zowel smalbandig is en golflengteverstembaar. bron: Laser Centrum VU

Deze dimensieloze constante mu (de verhouding tussen proton- en elektronmassa, mp/me) heeft in de natuurkundeboeken een vaste waarde van 1836,1526670(39). Mu en de andere fysische constanten – zo’n 25 in totaal – worden algemeen beschouwd als de pijlers van een rotsvast fysisch-theoretisch bouwwerk. Toch hebben de afgelopen 60 jaar veel fysici zich over de vraag gebogen of de constanten in de loop van de geschiedenis wel zo constant waren.

Licht naast licht gelegd

De groep van Ubachs vergeleek de absorptie-spectra van waterstof (H2) zoals in het lab gemeten, met de H2-absorptielijnen die door quasars worden uitgezonden. Het quasarlicht werd zo’n twaalf miljard jaar geleden geproduceerd en kan met gevoelige telescopen vanaf de aarde worden gemeten. Bij de labmetingen maakte de groep van Ubachs gebruik van speciaal extreem–ultraviolet laserlicht. Dit licht wordt met behulp van geavanceerde apparatuur in het Lasercentrum VU ‘gekweekt’. Dankzij deze apparatuur kan de groep heel nauwkeurig de spectrale overgangen van moleculair waterstof bestuderen.

Licht is een elektromagnetische golf. De golflengte bepaalt wat de kleur is: lange golven dragen weinig energie en zitten aan de rode kant van het spectrum. Nog langer, en de straling wordt infrarood of zelfs radiogolf. Korte golven dragen meer energie en zitten aan de blauwe kant van het spectrum. Nog korter, en we komen in het ultraviolette en uiteindelijk het röntgen- of gamma-gebied. Atomen kunnen uit wit licht (een mengsel van kleuren zichtbaar licht) bepaalde spectraallijnen absorberen: ze nemen de energie van de kleur licht op en dat is zichtbaar als een donkere lijn in het spectrum. Absorptie-spectra vormen daarom een soort vingerafdruk van een materiaal. De precieze geabsorbeerde golflengte hangt af van allerlei natuurconstantes. Als die in de loop der tijd verandert zijn, ziet het spectrum van ‘oud’ waterstofgas er net iets anders uit dan dat van ‘nieuw’ gas.

Ubachs: “Tot voor kort werd als referentie een atlas van H2-emissielijnen gebruikt, gemeten op het Observatoire de Paris. Wanneer je de quasarlijnen hiermee vergelijkt, blijken de atlasgegevens te onnauwkeurig. Daarom zijn we in ons Lasercentrum opnieuw aan de slag gegaan, wat heeft geleid tot gegevens met een nauwkeurigheid van 5×10-8.”

De vergelijking van de VU-fysici laat zien dat de massaverhouding minder dan een-duizendste procent is veranderd over een tijd van twaalf miljard jaar. Ubachs: “De uitdaging voor de toekomst is om die variatie met nog meer nauwkeurigheid onder de loep te nemen. Daarbij zijn verbeterde telescopen en spectrometers van groot belang. Ook willen we graag nog meer quasars bij de vergelijking betrekken. Misschien worden bij nog preciezere metingen wél echte veranderingen van de zogenaamde fundamentele constantes gevonden. Dat zou de grondvesten van de natuurkunde flink door elkaar schudden.”

Fijnstructuur in het verleden

De eerste manier om naar de natuurconstanten in het vroege heelal te kijken was de fijnstructuur-constante alfa: dat is een combinatie van verschillende natuurconstantes die aangeeft hoe sterk de elektromagnetische kracht is. De waarde ervan ligt in de buurt van de 1/137. Eddington had allerlei theorieën om te verklaren waarom alfa zo’n nette breuk is, maar verbeterde metingen hebben laten zien dat de waarde iets anders is: 1/alfa = 137,035.999.76.

De fijnstructuurconstante is een combinatie van de elektronlading ( e), de permittiviteit van het vacuüm ( e0), constante van Planck ( h-streep) en de lichtsnelheid ( c).

Eén manier om de fijnstructuurconstante in het verleden te onderzoeken is met het licht van ververwijderde quasars. Het idee is dat het licht van quasars miljarden jaren geleden door interstellaire wolken vlakbij de quasars gereisd is, en daarvan een vingerafdruk heeft meegenomen in de vorm van een absorptiespectrum. Daaruit kunnen natuurkundigen afleiden hoe sterk de elektromagnetische krachten waren, zo’n 10 miljard jaar geleden. Hun berekeningen laten zien dat de relatieve verandering in alfa (dus de verandering in een jaar gedeeld door de waarde zelf) per jaar niet groter kan zijn dan 5 × 10-16. Dat getal is natuurlijk maar een bovengrens: de werkelijke verandering – als die er al is – kan best veel kleiner zijn.

Niet alleen de sterrenhemel, maar ook geofysica speelt een rol in de discussie. Eerder had Edward Teller al aangetoond dat een aanname van Dirac over de verandering van G, de logische consequentie heeft dat in het tijdperk van het Cambrium de oceanen gekookt zouden hebben, wat in tegenspraak is met fossiele vondsten.

Uit metingen aan afwijkende 235U/235U isotopenverhoudingen, alsmede vondsten van een groot aantal splijtingsproducten in mijnen bij Oklo in Gabon, geconcludeerd dat er 2 miljard jaar geleden een natuurlijke kernreactor ondergronds gewerkt heeft, waarin naar schatting 200 kg 235U is opgebrand. Ook de hoeveelheden van verschillende isotopen (zoals de verhouding van de Samarium-isotopen 149Sm en 150Sm) zijn te gebruiken in het onderzoek naar de veranderende natuurconstantes.

Een analyse van mogelijke tijdsveranderingen in de doorsnede voor neutronenvangst (met een aantal veronderstellingen, ook over de sterke wisselwerking) geeft aan hoe reacties in de natuurlijke reactor van Oklo vroeger verliepen. Als de isotopen toen met iets andere snelheden vervielen dan nu, is dat zichtbaar in de huidige verhoudingen. Uit dat soort onderzoek komt een getal voor de verandering in alfa: die kan hoogstens 5 × 10-17 keer zijn eigen waarde veranderen per jaar.

De natuurlijke reactor in Oklo, Gabon. bron: Hosatte / CEA

Dit artikel is een publicatie van Vrije Universiteit Amsterdam (VU).
© Vrije Universiteit Amsterdam (VU), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 april 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE