Scheuren in Einsteins algemene relativiteitstheorie?

Australische astronomen hebben definitief aangetoond dat tien miljard jaar geleden een fundamentele natuurconstante, de fijnstructuurconstante alfa, anders was ten noorden van de galactische equator dan ten zuiden hiervan. Een probleem: dat kan helemaal niet volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie…

Wat is de fijnstructuurconstante?
De fijnstructuurconstante, alfa, geeft de sterkte aan van de elektromagnetische kracht ten opzichte van twee andere natuurconstanten, de lichtsnelheid (c) en de constante van Planck (h), die fundamenteel is in de kwantummechanica. In formulevorm: [latex]\alpha = \frac{k_\mathrm{e} e^2}{\hbar c}[/latex]. Alfa is ongeveer gelijk aan 1/137. Het is een dimensieloos getal, dus zonder eenheden er achter. Daarom wordt alfa gezien als fundamenteler dan andere natuurconstantes.

Volgens de algemene relativiteitstheorie zijn de natuurwetten overal gelijk, waar je ook bent en hoe snel je ook beweegt. Dat geldt dus ook voor fundamentele natuurconstanten als alfa, die in die natuurwetten gebruikt worden. Met andere woorden: als er veranderingen in deze verhouding worden gemeten, moeten de natuurwetten anders zijn op die andere plaats en gaat Einsteins relativiteitsprincipe niet overal op. De fijnstructuurconstante is te meten door te kijken naar het gedrag van licht. De golflengte van licht wordt namelijk bepaald door de energie, c en h. Lichtdeeltjes worden uitgezonden door de elektrisch geladen elektronen als ze in een andere ‘baan’ springen. Hoeveel energie dat kost, hangt af van hoe sterk de elektronen en de atoomkern elkaar aantrekken. Verandert er iets in de verhouding tussen de kracht die op elektronen werkt en de lichtsnelheid of de constante van Planck, dan merk je dat meteen aan het licht dat elektronen in bijvoorbeeld waterstofatomen uitzenden.

Wrede schok
Het nieuws uit Australië vervulde natuurkundigen en kosmologen met ongeloof. Alfa is misschien wel de meest onaantastbare natuurconstante, bekend tot op dertien decimalen precies.

Toch bleek alfa bij enkele verre quasars een honderdduizendste kleiner te zijn dan normaal. Naar goed wetenschappelijk gebruik werden de brengers van het slechte nieuws, John Webb, Victor Flambaum en hun collega’s van de Australische universiteit van New South Wales, in 1998 aanvankelijk aan de schandpaal genageld (1). Nu blijkt uit nieuwe metingen van Webb en de zijnen aan verre quasars, dat ook aan de andere kant van de hemel alfa een honderdduizendste afwijkt, deze keer groter dan hier op aarde. We lijken hier op aarde in het midden van deze twee waarden te liggen, iets dat sommige onderzoekers al heeft doen speculeren dat de Melkweg en onze buurstelsels om die reden uniek geschikt zijn voor leven.

Er kunnen verschillende redenen zijn voor deze variatie. Sommigen denken dat deze het bestaan van extra dimensies aantoont. Andere onderzoekers plaatsen vraagtekens bij de accuratesse van de metingen. Zo is weliswaar het effect statistisch significant, er is ongeveer 1:15 000 kans dat de resultaten van Webb op toeval berusten, maar er blijkt een behoorlijke correlatie te zijn tussen de uitkomsten van metingen en het instrument dat gebruikt is, stelt collega Orzel.

Is niet alleen de ruimtelijke locatie, maar ook de tijd waarin we nu leven, uniek geschikt voor leven?
Er kunnen ook in het verleden verandering op zijn getreden in alfa. Als dit zo is, dan moeten kernreacties anders zijn verlopen dan nu. Twee miljard jaar geleden was er op aarde een natuurlijke kernreactor actief op de plaats waar nu de Gabonese plaats Oklo ligt. Als de splijtingsproducten in een andere verhouding voorkomen dan verwacht wordt bij de tegenwoordige alfa, bewijst dat dat alfa afweek in het verleden (2).

Bronnen
1. Arxiv.org (Evidence for spatial variation of the fine structure constant)
2. Arxiv.org (Manifestations of a spatial variation of fundamental constants on atomic clocks, Oklo, meteorites, and cosmological phenomena)
3. physicsworld.com, Changes spotted in fundamental constant