Variação de tempo de constantes fundamentais - Time-variation of fundamental constants

O termo constante física expressa a noção de uma quantidade física sujeita a medição experimental que é independente do tempo ou local do experimento. A constância (imutabilidade) de qualquer "constante física" está, portanto, sujeita a verificação experimental.

Paul Dirac em 1937 especulou que constantes físicas, como a constante gravitacional ou a constante de estrutura fina, podem estar sujeitas a mudanças ao longo do tempo em proporção à idade do universo . Experimentos conduzidos desde então colocaram limites superiores em sua dependência do tempo. Isso diz respeito à constante de estrutura fina , à constante gravitacional e à razão de massa próton-elétron especificamente, para as quais há esforços contínuos para melhorar os testes de sua dependência do tempo.

A imutabilidade dessas constantes fundamentais é uma pedra angular importante das leis da física atualmente conhecidas; o postulado da independência temporal das leis físicas está ligado ao da conservação da energia ( teorema de Noether ), de modo que a descoberta de qualquer variação implicaria na descoberta de uma lei da força até então desconhecida.

Em um contexto mais filosófico , a conclusão de que essas quantidades são constantes levanta a questão de por que elas têm o valor específico que têm no que parece ser um " universo ajustado ", enquanto que sendo variáveis ​​significaria que seus valores conhecidos são meramente um acidente do tempo atual em que os medimos.

Dimensionalidade

É problemático discutir a taxa de mudança proposta (ou a falta dela) de uma constante física unidimensional isolada. A razão para isso é que a escolha de um sistema de unidades pode selecionar arbitrariamente qualquer constante física como sua base, tornando a questão de qual constante está sofrendo mudança um artefato da escolha das unidades.

Por exemplo, em unidades do SI , a velocidade da luz recebeu um valor definido em 1983. Assim, era significativo medir experimentalmente a velocidade da luz em unidades do SI antes de 1983, mas não é agora. Testes sobre a imutabilidade de constantes físicas olham para quantidades adimensionais , isto é, relações entre quantidades de dimensões semelhantes, a fim de escapar desse problema. Mudanças nas constantes físicas não são significativas se resultarem em um universo observacionalmente indistinguível . Por exemplo, uma "mudança" na velocidade da luz c não teria sentido se acompanhada por uma "mudança" correspondente na carga elementar e de modo que a razão e 2 : c (a constante de estrutura fina) permanecesse inalterada.

As unidades naturais são sistemas de unidades inteiramente baseados em constantes fundamentais. Em tais sistemas, é significativo medir qualquer quantidade específica que não seja usada na definição das unidades. Por exemplo, em unidades de Stoney , a carga elementar é definida como e = 1, enquanto a constante de Planck reduzida está sujeita à medição, ħ ≈ 137,03 , e em unidades de Planck , a constante de Planck reduzida é definida como ħ = 1 , enquanto a carga elementar está sujeito a medição, e ≈ (137,03) 1/2 . A redefinição de unidades de base do SI em 2019 expressa todas as unidades de base do SI em termos de constantes físicas fundamentais, transformando efetivamente o sistema do SI em um sistema de unidades naturais.

Constante de estrutura fina

Em 1999, foram anunciadas evidências de variabilidade temporal da constante de estrutura fina com base na observação de quasares, mas um estudo muito mais preciso baseado em moléculas de CH não encontrou nenhuma variação. Um limite superior de 10-17 por ano para a variação de tempo, com base em medições de laboratório, foi publicado em 2008. Observações de um quasar do universo com apenas 0,8 bilhões de anos com o método de análise AI empregado no Very Large Telescope (VLT) encontraram uma variação espacial preferida em relação a um modelo sem variação no nível.

A variação no tempo da constante de estrutura fina é equivalente à variação no tempo de um ou mais dos seguintes: velocidade da luz , constante de Planck , permissividade do vácuo e carga elementar , desde então .

Velocidade da luz

Constante gravitacional

A constante gravitacional G é difícil de medir com precisão, e medições conflitantes na década de 2000 inspiraram as sugestões controversas de uma variação periódica de seu valor em um artigo de 2015. No entanto, embora seu valor não seja conhecido com grande precisão, a possibilidade de observar supernovas do tipo Ia que aconteceram no passado remoto do universo, emparelhado com a suposição de que a física envolvida nesses eventos é universal, permite um limite superior de menos de 10 -10 por ano para a constante gravitacional nos últimos nove bilhões de anos.

Como uma grandeza dimensional, o valor da constante gravitacional e sua possível variação dependerá da escolha das unidades; em unidades de Planck , por exemplo, seu valor é fixado em G = 1 por definição. Um teste significativo na variação de tempo de G exigiria comparação com uma força não gravitacional para obter uma quantidade adimensional, por exemplo, através da razão da força gravitacional para a força eletrostática entre dois elétrons, que por sua vez está relacionada com a multa adimensional -estrutura constante .

Razão de massa próton-elétron

Um limite superior da mudança na razão de massa próton-elétron foi colocado em 10-7 ao longo de um período de 7 bilhões de anos (ou 10-16 por ano) em um estudo de 2012 baseado na observação do metanol em um distante galáxia.

Constante cosmológica

A constante cosmológica é uma medida da densidade de energia do vácuo . Foi medido pela primeira vez e teve um valor positivo na década de 1990. Atualmente (em 2015) é estimado em 10-122 em unidades Planck . Possíveis variações da constante cosmológica ao longo do tempo ou espaço não são passíveis de observação, mas foi notado que, em unidades de Planck, seu valor medido é sugestivamente próximo ao recíproco da idade do universo ao quadrado, Λ ≈ T −2 . Barrow e Shaw propuseram uma teoria modificada na qual Λ é um campo que evolui de tal forma que seu valor permanece Λ ~ T −2 ao longo da história do universo.

Veja também

Referências