Voor een rechtgeaard natuurkundige gaat er niets boven de
lichtsnelheid in vacuum, een slordige 300.000 kilometer per
seconde. Het is de ultieme maximumsnelheid die de natuurwetten
toestaan, een overschrijding ervan is nog nooit waargenomen en zou
geen boete maar een Nobelprijs opleveren. De lichtsnelheid is een van
onze gelauwerde universele natuurconstanten. Natuurkundigen kunnen
zich maar moeilijk voorstellen dat die snelheid zou veranderen in de
tijd. Toch zijn er nu wetenschappers die beweren dat de lichtsnelheid
wellicht niet constant is. Een prikkelende gedachte die misschien zo
gek nog niet is. Einstein dacht ooit dat het heelal statisch was, maar
later bleek dat het heelal uitdijt. Fundamentele natuurconstanten zijn
als fysische grootheden constant tot het tegendeel is aangetoond. In
de praktijk zou het er op neer komen, dat dankzij een nieuwe of sterk
verbeterde meetmethode, experimenteel wordt aangetoond dat bepaalde
grootheden wel degelijk veranderen op een extreem grote tijd- of
afstandschaal. Zulke veranderingen, hoe klein ook, zijn van essentieel
belang, omdat die zogenaamde constanten opeens dynamische variabelen
blijken te zijn, terwijl ze voorheen als externe parameters werden
opgevat. Dergelijke grootheden moeten dus op een of andere
manier zelf ook aan bepaalde bewegingsvergelijkingen voldoen, en dat
kan de deur openen naar een fundamenteel nieuw theoretisch kader.
Fijnstructuur
Sinds 1999 is er veel opwinding over de mogelijke experimentele
ontdekking van de afname van de zogenaamde fijnstructuurconstante in
de tijd. Afgelopen augustus concludeerden theoretici dat een afname
van de fijnstructuurconstante een hogere lichtsnelheid impliceert. De
fijnstructuurconstante is de dimensieloze grootheid die een maat is
voor de sterkte van de elektromagnetische wisselwerking en bepaalt
mede hoe een atomair spectrum eruit ziet. Deze constante wordt gegeven
door e^2/2hc
, met e de elementaire elektrische lading, h
de constante van Planck en c de lichtsnelheid. Deze constante is
experimenteel met grote precisie bepaald en heeft een waarde
en omdat het een dimensieloos getal is
hangt ze dus niet af van een keuze van eenheden. Een atoom is immers een
systeem dat door de elektrische kracht tussen tegengestelde ladingen
bij elkaar gehouden wordt. Een atoom kan zich volgens de wetten van de
quantummechanica alleen maar in discrete (gequantiseerde)
energieniveaus bevinden. Als het atoom van een hoger naar een lager
energieniveau springt, wordt vanwege het behoud van energie, de
vrijkomende energie uitgezonden in de vorm van licht. Er verschijnt
een foton (lichtdeeltje) met een frequentie die rechtevenredig is met
het verschil tussen de energieniveaus, volgens de befaamde formule van Einstein
. Het lichtspectrum dat een
bepaald soort atoom uitzendt bestaat daarom uit een aantal discrete
lijnen met precies vastgelegde kleuren (frequenties en
golflengten). Het spectrum is dus een soort streepjescode die het type
atoom specificeert.
Atomaire spectra hebben een karakteristieke structuur die van alfa
afhangt. In eerste orde worden de energieniveaus gegeven door de
natuurlijke energieschaal in het probleem dat is ,
d.w.z. de energie corresponderend met de electronmassa maal
de fijnstructuurconstantemaal de lading van de betreffende atoomkern
(Z) in het kwadraat. Het blijkt echter dat de lijnen in het spectrum
zelf in feite gesplitst zijn, d.w.z. dat het lijnenspectrum een
zogenoemde fijnstructuur heeft tengevolge van spin- en relativistische
effecten. Deze fijnstructuur is - hoe kan het ook anders - weer
evenredig met een extra factor alfa in het
kwadraat. Kortom, uit een meting van de gedetailleerde structuur van het
spectrum van een atoom kun je alfa bepalen.
Big Bang
Als we de variatie van alfa in de tijd willen meten moeten we atomaire
spectra op verschillende tijdstippen bepalen. Als in het verre
verleden de parameter alfa om welke reden dan ook ietsje anders geweest
is, hoe komen we daar dan achter? Het heelal inmiddels zo'n
veertien miljard jaar oud. maar we kunnen natuurlijk niet terug gaan
in de tijd om proefjes te doen ten tijde van de Big Bang. Er is echter
een aantrekkelijk en eenvoudig alternatief. We, d.w.z. de astronomen
kunnen kijken naar licht dat van bronnen komt die heel ver weg staan,
omdat het licht een eindige snelheid heeft moet dat licht dus al heel
lang geleden uitgezonden zijn. We kunnen absorbtiespectra bestuderen
die in feite heel lang geleden ontstaan zijn, toen bijvoorbeeld het
licht van een verre quasar terplaatse door een gaswolk geabsorbeerd
werd. Hoe bepalen we nu wanneer die absorptie heeft plaatsgevonden?
Dat doen we door gebruik te maken van het feit dat het heelal
uitdijt. De uitdijing wordt gekarakteriseerd door een simpele relatie,
de wet van Hubble (die Edward Hubble in 1928 ontdekte), deze zegt
dat objecten zich door de uitdijing van ons afbewegen met een snelheid
die rechtevenredig is met hun afstand. Dus een ster die twee keer
zover weg staat, verwijdert zich twee keer zo snel van ons.
Wilhelmus
Het feit dat sterren zich van ons af bewegen heeft tot gevolg dat hun
spectra door het Dopplereffect naar het rood verschuiven. Het
Dopplereffect kennen we allemaal uit het dagelijks leven. Stel dat een
blaaskapel op een trein het Wilhelmus speelt. Als ze naar je toekomen
klinkt het Wilhelmus hoger dan wanneer ze je gepasseerd zijn en zich
van je verwijderen. De geluidsgolven `rekken' als het ware
`uit' als de trein van je weg rijdt. De golflengte wordt
langer, de frequentie en dus de toonhoogte lager. In het heelal
gebeurt hetzelfde met licht. De golflengte van het licht wordt door de
uitdijing van het heelal groter. Hoe verder weg de lichtbron, hoe
langer het licht onderweg is en hoe meer het licht verschuift naar
grotere golflengten (en dus een rode kleur). Terug naar de
blaaskapel. Het is wel zo dat het Wilhelmus het Wilhelmus blijft, de
toonhoogte verandert maar de intervallen tussen de tonen blijven
hetzelfde. Naar optische spectra vertaalt betekent dit dat het
spectrum in zijn geheel verschuift terwijl de verhoudingen van de
afstanden tussen de verschillende lijnen hetzelfde blijven.
Quasars
Nu is duidelijk welk experiment in principe antwoord geeft op onze
moeilijke vraag. Kijk naar het licht van verre bronnen en meet de
spectra. Bepaal vervolgens de afstand (en de tijd) aan de hand van de
roodverschuiving en bepaal de waarde van de fijnstructuurconstante uit
de relatieve ligging van de spectraallijnen ten opzichte van elkaar,
dat wil zeggen de gedetaillerde structuur van het spectrum. Uit de
spectrale verschuiving en vervorming van veel lichtbronnen kan aldus de
verandering van alfa worden bepaald als functie van de tijd. In 1999 is
dit experiment gedaan, waarbij absorptiespectra van mangaan en ijzer
in het licht van zeer verafgelegen quasars (jonge sterren) - tot zo'n
tien miljard lichtjaar weg - zijn geanalyseerd. De groep van John
Webb publiceerde hun bevindingen in de Physical Review Letters met de
opzienbarende claim dat de alfa van dat licht een duizendste procent
kleiner is. De statistiek van het experiment en de analyse van
mogelijke systematische fouten zijn nog niet van dien aard dat het
niet constant zijn van de fijnstructuurconstante onomstotelijk is
aangetoond. Er zijn nu belangrijke vervolgexperimenten aan de gang,
die deze fundamentele kwestie definitief proberen op te helderen.
Zwarte gat
Gebaseerd op Webb's data hebben Paul Davies en anderen onlangs in
Nature, theoretische argumenten naar voren gebracht die er op
neerkomen dat de afname van alfa een toename van de lichtsnelheid
impliceert. De andere mogelijkheid, een afname van de elementaire
lading, is volgens de auteurs uitgesloten. Het argument is gebaseerd
op de entropie van geladen zwarte gaten en zegt dat een toename van de
elementaire lading tot een afname van de entropie van het zwarte gat
zou leiden en een afname van de entropie voor een afgesloten systeem
is - zoals bekend - in strijd met de tweede hoofdwet van de
thermodynamica. Zij komen tot de conclusie dat daarom de lichtsnelheid
niet constant is, maar afgenomen moet zijn in loop van de tijd. Hierop
valt wel iets af te dingen, namelijk, dat een theorie die verklaart
waarom de fijnstructuurconstante verandert (bijvoorbeeld gebaseerd op
het bestaan van extra ruimtelijke dimensies), het zwarte gat-argument
wel eens onderuit zou kunnen halen. De kritische lezer zal het met mij
eens zijn dat de spectaculaire titel van dit artikel voorlopig nog
betrekking heeft op wetenschap in de maak, `werk in uitvoering'.
Opgelet dus!