Je li moguće da svjetlost putuje brže ili sporije u udaljenim kutovima našeg svemira? Brzina svjetlosti, kao i deseci drugih takozvanih temeljnih konstanti, ključna je za to kako fizičari razumiju svemir. Ovi brojevi čak pomažu definirati naše mjerne jedinice, kao što su metar, sekunda i kilogram. Međutim, ne postoji znanstveni konsenzus o tome zašto konstante moraju biti konstantne ili temeljne.

Rad u časopisu Physical Review Letters od 24. travnja 2019. predlaže eksperimente kako bi se istražilo jesu li ti nepokolebljivi stupovi fizike zapravo fluktuirajući u prostor-vremenu. Ako je tako, znanstvenici će morati preispitati trenutne modele našeg svemira - ili barem dati tim brojevima drugo ime.

"Temeljne konstante u biti su samo parametri koji se pojavljuju u teoriji", rekao je Peter Mohr, fizičar s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju u Gaithersburgu u Marylandu, koji nije bio uključen u rad. "One imaju temeljnu važnost za teorije, ali njihove vrijednosti nisu predviđene teorijama i moraju se eksperimentalno izmjeriti".

Mohr i njegovi kolege bili su dio međunarodnih napora na stvaranju nove definicije za kilogram - one koja proizlazi iz temeljnih konstanti, a ne bloka platinaste legure koja je u Francuskoj od 1889. Cilj je bio stvoriti standard za mjerenje mase koji može izdržati test vremena, a ne dobiti ili izgubiti težinu kontaminacijama i degradacijama poput fizičkog bloka materijala. Promjena je stupila na snagu 20. svibnja, na Svjetski dan mjeriteljstva.

Može se činiti da bi pomicanje temeljnih konstanti negirala cijelu pretpostavku redefiniranja.

Međutim, desetljeća eksperimentalnih podataka pokazala su da bi bilo kakve potencijalne promjene konstanti bile nevjerojatno male - manje od jednog dijela u sto tisuća bilijuna.

"To je prilično stabilno", rekao je Mohr. "Varijacije - čak i ako jesu tamo - bile bi toliko male da nećemo morati ni razmišljati o njima u većini eksperimenata".

Doista, ako se te konstante previše mijenjaju, Standardni model, temeljna teorija fizike čestica, ne bi izdržala desetljeća rigoroznih eksperimenata i dovela do predviđanja i naknadnog otkrivanja elementarnih čestica kao što su kvarkovi i Higgsov bozon, na primjer. Standardni model opisuje od čega se sastoji materija i kako komunicira sa svim poznatim silama osim gravitacije.

Iako je moguća varijacija temeljnih konstanti možda premala da bi se unaprijedila moderna fizika, ona još uvijek može značajno promijeniti naša stajališta o stvarima koje tek treba razumjeti, kao što je tamna tvar.

"Znamo da moramo ići dalje od Standardnog modela, ali nije jasno u kojem smjeru trebamo ići, bilo da se radi o teoriji struna ili supersimetriji ili nekoj drugoj teoriji", izjavio je Lukas Pasteka, fizičar na Sveučilištu Comenius u Slovačkoj koji je bio glavni autor novog rada.

Prema Pasteki, neke od tih postojećih hipoteza zapravo uključuju predviđanja varijacija u temeljnim konstantama. Dovoljno precizan eksperiment može testirati ta predviđanja i pomoći u razrješenju problema.

Ako imate ravnalo duljine cijelog Sunčevog sustava, promjena jednog dijela u sto tisuća bilijuna tog ravnala bila bi otprilike jednaka širini ljudske kose. Mjerenje ove razine varijacije može zvučati suludo teško, ali je li?

Upoznajte Laserski interferometrijski gravitacijsko-valni opservatorij ili LIGO - s dvije ruke svaka duža od 3 kilometra i osjetljivošću na varijacije manje od jednog dijela u milijardu bilijuna - LIGO može otkriti promjenu duljine jednaku tisućinkoj širini protona. Bio je to dio globalnih napora koji su prvi put otkrili gravitacijske valove, koji su dolazili iz dvije sudarajuće crne rupe udaljene više od milijardu svjetlosnih godina.

Prema Pasteki i njegovim kolegama, ova razina osjetljivosti upravo je ono što im je potrebno da prijeđu sadašnju granicu i otkriju promjene u temeljnim konstantama.

Promatrajući prošle i buduće podatke koje je prikupio LIGO, nadaju se da će otkriti potpise koji proizlaze iz promjena u nizu temeljnih konstanti, uključujući brzinu svjetlosti, Planckovu konstantu, naboj elektrona i omjer mase protona i elektrona.

Također su predložili drugačiju metodu koja se može provesti pomoću manjih, stolnih instrumenata za izravno praćenje udaljenosti atomskih veza, poput onih između zlatnih atoma, tijekom dugog vremenskog razdoblja. Ova metoda može biti jednostavnija, ali manje osjetljiva u usporedbi s korištenjem LIGO-a, ali obje će trajati najmanje nekoliko godina, ako ne i duže, prije nego što dobijemo smislene podatake.

"Morat će se izvoditi najmanje godinu ili dvije samo kako bi uračunali određene cikličnosti poput gibanja Zemlje oko Sunca", rekao je Pasteka.

Na kraju, ovi pothvati će nam ili reći da su temeljne konstante konstantnije nego ikad, ili ipak nisu tako konstantne.

Dakle, da li znanstvenici stvarno nemaju ideju u kojem smjeru to može ići? "Ovisi s kim razgovarate", rekao je Mohr.