Μέτρηση θεμελιωδών σταθερών της Φυσικής χρησιμοποιώντας μεθανόλη

Το μόριο της μεθανόλης

Σύμφωνα με την αρχή της ισοδυναμίας που διατύπωσε ο Einstein πριν από 105 χρόνια, οι νόμοι της φυσικής είναι παντού οι ίδιοι.
Πολλοί όμως επιστήμονες υποστηρίζουν σήμερα ότι: «οι νόμοι της φυσικής που ισχύουν στην περιοχή του σύμπαντος που ζούμε δεν είναι ίδιοι με αυτούς που ισχύουν σε μια άλλη απομακρυσμένη περιοχή».
Ένας τρόπος για να ελεγχθεί αυτή η άποψη είναι η μέτρηση των τιμών των λεγόμενων παγκόσμιων σταθερών που χρησιμοποιεί η φυσική και σε άλλα μέρη του σύμπαντος. Τέτοιες σταθερές είναι και οι μάζες του ηλεκτρονίου και πρωτονίου.
Ερευνητές σε μια πρόσφατη εργασία τους διερευνούν τις τιμές των θεμελιωδών μαζών πρωτονίου και ηλεκτρονίου (στην πραγματικότητα  τον λόγο των μαζών τους) μελετώντας τo μόριο της μεθανόλης.
Το άρθρο τους βασίζεται στα πολύπλοκα φάσματα του μορίου της μεθανόλης. Τα απλά άτομα απορροφούν ή εκπέμπουν ενέργεια (φωτόνια) όταν τα ηλεκτρόνιά τους μεταβαίνουν από ένα τροχιακό σε άλλο. Στα μόρια υπάρχουν κι άλλοι τρόποι. Τα μόρια μοιάζουν με μάζες που είναι συνδεδεμένες με ελατήριο - οι χημικοί δεσμοί - που μπορούν να ταλαντώνονται απορροφώντας και εκπέμποντας ενέργεια. Επιπλέον πολλά μόρια έχουν την δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας με την περιστροφή τους. Τα φάσματα που προέρχονται από «ψυχρά» άστρα περιέχουν περισσότερες γραμμές απορρόφησης σε σχέση με φάσματα «θερμών» άστρων, και οι χαμηλές θερμοκρασίες επιτρέπουν την έναρξη σχηματισμού μορίων.
Πολλά από αυτά τα φασματικά χαρακτηριστικά είναι παρόντα στην περιοχή των μικροκυμάτων και εξαρτώνται από κβαντομηχανικά φαινόμενα τα οποία με τη σειρά τους εξαρτώνται από τις μάζες του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου.
Οι αστρονόμοι διερευνώντας τις θέσεις των φασματικών γραμμών μπορούν να ελέγξουν τις τιμές αυτών των θεμελιωδών σταθερών.
Η κύρια δυσκολία έγκειται στο γεγονός ότι η μεθανόλη είναι σπάνια στο σύμπαν μας, το οποίο συνίσταται από 98% υδρογόνο και ήλιο. Τα υπόλοιπα 2% αποτελούν άλλα στοιχεία (κυρίως όμως οξυγόνο και άνθρακας). Η μεθανόλη αποτελείται από τα τρία πιο κοινά στοιχεία του σύμπαντος - που βέβαια πρέπει να συναντηθούν μεταξύ τους ώστε να σχηματίσουν το μόριό της. Εκτός των άλλων πρέπει να υπάρχει και η κατάλληλη θερμοκρασία. Μεγάλες θερμοκρασίες διασπούν το μόριο, πολύ χαμηλές θερμοκρασίες δεν μπορούν να προκαλέσουν διεγέρσεις των μορίων και εκπομπή ακτινοβολίας, έτσι ώστε να το ανιχνεύσουμε.
Εξαιτίας σπανιότητας των μορίων μεθανόλης στις κατάλληλες συνθήκες θα περίμενε κανείς να μην ανιχνεύεται στον γαλαξία μας και γενικά στο διάστημα.
Ευτυχώς όμως η μεθανόλη είναι ένα από τα λίγα μόρια που δημιουργούν αστρονομικά μέϊζερ. Μέϊζερ είναι το μικροκυματικό ισοδύναμο του Λέιζερ στο οποίο η είσοδος μικρής ποσότητας φωτός δημιουργεί «φαινόμενα χιονοστιβάδας» κάνοντας τα μόρια να εκπέμπουν φως σε συγκεκριμένες συχνότητες. Το φαινόμενο αυτό ενισχύει τη λαμπρότητα ενός νέφους που περιέχει μεθανόλη. Μελετώντας τα μέιζερ μέσα στον γαλαξία μας οι ερευνητές βρήκαν ότι αν ο λόγος της μάζας του ηλεκτρονίου προς την μάζα του πρωτονίου είναι διαφορετικός σε άλλα μέρη του σύμπαντος, τότε η μεταβολή αυτή είναι μικρότερη από τρία προς εκατό εκατομμύρια (3:10⁸).
arxiv.org - physicsforme.wordpress.com