Ατομικό ρολόι στο διάστημα για δοκιμή μεταβαλλόμενης ταχύτητας φωτός

Το 1919, μια αποστολή ολικής έκλειψης με επικεφαλής τον Άρθουρ Έντινγκτον βοήθησε στην επαλήθευση της θεωρίας της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Παρατηρώντας την έκλειψη από το αφρικανικό νησί Πρίνσιπε, ο Έντινγκτον μπόρεσε να δείξει ότι τα μονοπάτια φωτός κάμπτονται από τη βαρύτητα. Το 2019, το Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας ετοιμάζεται να πετάξει στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό με ένα SpaceX Falcon 9. Στο διάστημα, ένα ατομικό ρολόι είναι πιο ακριβές από ένα ρολόι στη Γη, επειδή η βαρυτική έλξη στην επιφάνεια της Γης δεν θα επηρεάσει τη δόνηση των ατόμων. Όπως περιγράφεται στον ιστότοπο της ESA, η βασική ερώτηση του ACES είναι:Αλλάζει η ταχύτητα του φωτός με το χρόνο;

Το 1969, το Apollo 11 προσγειώθηκε στη Σελήνη. Το σεληνιακό πείραμα μέτρησης λέιζερ που άφησαν πίσω τους οι αστροναύτες του Apollo επιτρέπει ακριβείς μετρήσεις της απόστασης της Σελήνης από τη Γη. Η απόσταση είναι γνωστό ότι αυξάνεται λόγω της παλιρροιακής αλληλεπίδρασης μεταξύ Γης και Σελήνης. Τα σεληνιακά δεδομένα ενδέχεται επίσης να δείχνουν ότι η ταχύτητα του φωτός λέιζερ αλλάζει.

Το LLRE αναφέρει ότι η σεληνιακή απόσταση αυξάνεται κατά μόλις 3,82 +/- 0,07 cm/έτος , αλλά αυτό είναι πολύ γρήγορο. Εάν η Σελήνη κέρδιζε σήμερα ορμή με αυτόν τον ρυθμό, θα βρισκόταν στην ίδια θέση με τη Γη μόλις πριν από 1,5 δισεκατομμύριο χρόνια. Μελέτες σεληνιακών δειγμάτων, στις οποίες έχει συμμετάσχει αυτός ο συγγραφέας, δείχνουν οριστικά ότι η Σελήνη υπάρχει χωριστά από τη Γη εδώ και 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Τα ανεξάρτητα πειράματα διαφωνούν με το LLRE. Ένα πείραμα χρησιμοποιεί παλιρροιακούς ρυθμούς, απολιθώματα που άφησαν οι αρχαίες σεληνιακές παλίρροιες. Ένας άλλος χρησιμοποιεί 2700 χρόνια ιστορικών παρατηρήσεων έκλειψης για να μετρήσει πώς αλλάζει η τροχιά της Σελήνης. Ένα τρίτο σύνολο δεδομένων προέρχεται από αριθμητική προσομοίωση της αλληλεπίδρασης Γης-Σελήνης. Και οι τρεις συμφωνούν ότι η Σελήνη υποχωρεί μόνο με 2,9 cm/έτος . Οι επιστήμονες συνήθως θεωρούν το 5-Sigma ως σημαντικό, αυτό είναι ένα αποτέλεσμα 12-Sigma. Το άρθρο με κριτές Υπολογισμός της ανωμαλίας της τροχιάς της Σελήνης έχει ληφθεί πάνω από 10.000 φορές.

Η σεληνιακή ανωμαλία, και πολλά άλλα πράγματα, μπορούν να εξηγηθούν με μια απλή εξίσωση:

GM=tc

όπου G είναι η σταθερά βαρύτητας του Νεύτωνα και M και t είναι η μάζα και η ηλικία του σύμπαντος.

Με αυτή την υπόθεση, όταν το t ήταν μικρό, η ταχύτητα του φωτός c ήταν εξαιρετικά γρήγορη, προκαλώντας το σύμπαν να διαστέλλεται σε μια μεγάλη έκρηξη. Καθώς το t αυξήθηκε, η διαστολή επιβραδύνθηκε λόγω της βαρύτητας G και της μάζας M. Αυτό προβλέπει ότι το c εξακολουθεί να επιβραδύνεται με πολύ μικρό ρυθμό, μόλις 0,72 cm/sec ανά έτος. Αυτή η μικροσκοπική αλλαγή μπορεί να αποκαλυφθεί στη σεληνιακή ανωμαλία.

Εάν η ταχύτητα του φωτός λέιζερ άλλαζε σήμερα, ο χρόνος για να επιστρέψει το φως από τη Σελήνη θα αυξανόταν κάθε χρόνο, κάνοντας την απόστασή του να φαίνεται να αυξάνεται ταχύτερα όπως φαίνεται από το LLRE. Η προβλεπόμενη αλλαγή είναι ,926 cm/έτος , που αντιστοιχεί στην ανωμαλία 12-Sigma εντός του 1/5 μιας τυπικής απόκλισης. Αυτή είναι μια από τις πιο ακριβείς επιστημονικές προβλέψεις όλων των εποχών. Είναι το θέμα ενός δημοφιλούς βιβλίου, Η ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ, που βρίσκεται τώρα στη 2η έκδοσή του.

Η ταχύτητα του φωτός επηρεάζει τα πάντα, από τον υπολογιστή σας μέχρι το κλίμα της Γης. Για παράδειγμα, ρίχνει φως στο "Faint Young Sun Paradox". Σύμφωνα με παλιά μοντέλα του Ήλιου, η ζωή δεν θα μπορούσε να έχει εξελιχθεί στη Γη, επειδή πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια, ο Ήλιος ήταν μόνο κατά 75% τόσο φωτεινός και η Γη θα ήταν παγωμένη. Ωστόσο, έχουμε πολλά στοιχεία ότι η Γη είχε υγρούς ωκεανούς και τις απαρχές της ζωής, ακόμη και ενδείξεις ότι ο Άρης ήταν αρκετά ζεστός για ζωή πριν από αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια.

Ο Ήλιος μετατρέπει το καύσιμο του σε ενέργεια σύμφωνα με το E=mc . Αν το c ήταν μεγαλύτερο στο προβλεπόμενο ποσό, η θερμοκρασία της Γης πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια θα ήταν σχεδόν ακριβώς η σημερινή τιμή. Τα μοντέλα του Ήλιου προβλέπουν επίσης ότι θα γίνει θερμότερο μέχρι να εξατμιστούν οι ωκεανοί της Γης. Χάρη στην ταχύτητα του φωτός, η Γη θα διατηρήσει μια άνετη θερμοκρασία για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Αν το c δεν άλλαζε, η ανθρώπινη ζωή δεν θα ήταν εδώ για να μιλήσει γι' αυτό.

Για δεκαετίες, οι θεωρητικοί φαντάζονταν ότι το σύμπαν «φούσκωσε» πολλές φορές πιο γρήγορα από το φως, αν και αυτό θα παραβίαζε πολλούς φυσικούς νόμους. Δεν μπορεί να βρεθεί καμία άμεση απόδειξη αυτού του κοσμικού «πληθωρισμού». Μια πολυδιαφημισμένη ανακοίνωση το 2014 για κύματα από τον «πληθωρισμό» μετατράπηκαν σε κοσμική σκόνη. Εάν η ταχύτητα του φωτός ήταν μεγαλύτερη στο πρώιμο σύμπαν, θα εξηγούσε το πρώιμο σύμπαν χωρίς «διογκωμένες» ιδέες.

Τέλος, ένα μεταβαλλόμενο c θα έλυνε το μεγαλύτερο πρόβλημα στη φυσική, την εμφάνιση της κοσμικής επιτάχυνσης. Από την εποχή του Έντουιν Χαμπλ έχουμε μετρήσει τη διαστολή του σύμπαντος επειδή καθώς αυξάνεται η απόσταση ενός αντικειμένου, το φως του φαίνεται να μετατοπίζεται στο κόκκινο. Όταν οι φυσικοί μέτρησαν μακρινά εκρηκτικά αστέρια, σουπερνόβα, οι μετατοπίσεις τους στο ερυθρό φάνηκαν να αυξάνονται μη γραμμικά, σαν η περιοχή τους του σύμπαντος να επιταχύνεται μακριά από εμάς. Αυτό έχει προκαλέσει αχαλίνωτες εικασίες ότι η μυστηριώδης «σκοτεινή ενέργεια» προκαλεί την επιτάχυνση του σύμπαντος.

Οι μετατοπίσεις στο κόκκινο σχετίζονται με την ταχύτητα του φωτός. Εάν το c έχει αλλάξει ακριβώς στα προβλεπόμενα ποσά, η φαινομενική επιτάχυνση θα εξηγηθεί χωρίς καμία απωθητική «σκοτεινή ενέργεια». Μια απλή εξίσωση προβλέπει με ακρίβεια τα «επιταχυνόμενα» δεδομένα. Μια αλλαγή c θα έλυνε τα πολλά προβλήματα τόσο του «πληθωρισμού» όσο και της «σκοτεινής ενέργειας», όπως περιγράφεται σε αυτό το άρθρο.

Η επιστήμη βρίσκεται σε κρίση. Οι μετρήσεις της σταθεράς Hubble-Lemaître, αυτές που φαίνεται να δείχνουν ότι η διαστολή επιταχύνεται, δεν συμφωνούν. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι τα παλιά μοντέλα του σύμπαντος είναι ελαττωματικά και ότι χρειάζεται νέα φυσική. Το μεταβαλλόμενο c μελετάται από έναν αυξανόμενο αριθμό ερευνητών ως εναλλακτική λύση σε παλαιότερα μοντέλα. Το Atomic Clock Ensemble in Space μπορεί ενδεχομένως να επαληθεύσει μια «γ αλλαγή» στη φυσική, μια τεράστια πρόοδο στην κατανόησή μας για το σύμπαν. Ο χρόνος θα δείξει!