Sind Naturkonstanten wirklich konstant? Thorium-Präzision.

Ich mische mich ja nicht oft in Themen hier. Aber die Feinabstimmung (Alpha) als Naturkonstante ist es mir ein Thread wert.

Die Faszination der Feinabstimmung von Naturkonstanten, deren Ungeklärtheit zur spekulativen Paralleluniversen-Theorie (als physikalischen Versuch, Existenz Gottes, Schöpfers zu negieren), wird durch aktuelle Forschung neu belebt.

Fokus liegt auf der Physik. Klar.

Mit Blick auf hochsensible Präzisionsmessungen der Feinstrukturkonstante (Alpha) durch Thorium-Übergänge (Details unten) und im Kontext älterer Diskussionen (Harald Lesch) stellt sich die fundamentale Frage nach der absoluten Konstanz.
Obwohl das Standardmodell Invarianz annimmt, hätte der Nachweis einer Variabilität – die sogar für eine "Allgemeine Weltformel" erwünscht wäre – tiefgreifende Auswirkungen auf die Kosmologie und Theorien jenseits des Standardmodells.

Wie bewertet die Fachdiskussion die Bedeutung dieser neuen Ergebnisse und die theoretische Möglichkeit, dass diese "Konstanten" tatsächlich variieren?

Ich bin fasziniert von dem Thema.

News zum Thema
www.openpr.de/news/1294884/Wie-konstant-...urkonstante-idw.html


Harald Lesch (Alpha Centauri)



Harald Lesch (Omega Centauri) - Späteres Video 

Mustafa schrieb:

Mit Blick auf hochsensible Präzisionsmessungen der Feinstrukturkonstante (Alpha) durch Thorium-Übergänge (Details unten) und im Kontext älterer Diskussionen (Harald Lesch) stellt sich die fundamentale Frage nach der absoluten Konstanz.

Vorerst stellt sich nur die Frage nach abweichenden (variierenden) Messergebnissen, denn davon ist bisher keine Rede.

Mustafa schrieb:

Wie bewertet die Fachdiskussion die Bedeutung dieser neuen Ergebnisse

Nicht so euphorisch, es liegen noch gar keine Ergebnisse vor.

Originalveröffentlichung:  www.tuwien.at/phy/ati/news/wie-konstant-...einstrukturkonstante
Originalarbeit:  arxiv.org/pdf/2407.17300
Weitere Arbeit:  arxiv.org/pdf/2409.11590
Temperature sensitivity of a Thorium-229 solid-state nuclear clock

Man muss also nicht nur die Zeit, sondern auch die Temperatur präzise messen.

Und weiterhin wird so eine präzise Uhr bereits einen Unterschied anzeigen, wenn sie ein paar Millimeter tiefer oder höher im Gravitationspotential betrieben wird.

Neue Uhren sind nun so präzise, dass sie die gravitative Zeit­dilatation innerhalb einer ­einzigen Atomwolke nachweisbar machen.
2022:  www.spektrum.de/news/atomuhren-vermessen...er-atomwolke/2021107
Umgekehrt demonstriert es: Bei hochgenauer Quantentechnologie können sich sogar winzige Schwankungen des Gravitationsfelds auf die Messungen auswirken.

Wenn sich die Feinstrukturkonstante verändern würde, dann wären sämtliche Rechnungen zur CMB falsch

KI: 
Ja, die Temperatur der Rekombination und damit der Zeitpunkt, an dem das Universum durchsichtig wurde, hängt direkt von der Feinstrukturkonstante (  αalpha𝛼) ab.  Die Feinstrukturkonstante beeinflusst die Rekombinationstemperatur auf folgende Weise: 

• Stärke der Anziehung: αalpha𝛼 bestimmt die Stärke der elektromagnetischen Anziehung zwischen Elektronen und Protonen. Ein höherer Wert von αalpha𝛼 würde eine stärkere Anziehung bedeuten, während ein kleinerer Wert eine schwächere Anziehung zur Folge hätte.
• Bindungsenergie von Atomen: Die Bindungsenergie von Wasserstoffatomen, die der wichtigsten Komponente im frühen Universum entspricht, hängt von αalpha𝛼 ab. Die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von einem Atom zu trennen (die Ionisierungsenergie), ist proportional zu α2alpha squared𝛼2. Die Ionisierungsenergie von Wasserstoff beträgt 13,613 comma 613,6 eV.
• Einfluss auf die Rekombinationstemperatur: Die Rekombination findet statt, wenn die mittlere thermische Energie der Photonen (die durch die Temperatur des Universums gegeben ist) unter die Bindungsenergie der Atome fällt. Wenn αalpha𝛼 anders wäre, wäre auch die Bindungsenergie anders, und das Verhältnis von thermischer Energie zu Bindungsenergie würde bei einer anderen Temperatur erreicht. Das Universum wäre also bei einer anderen Temperatur und somit zu einem anderen Zeitpunkt transparent geworden

Noch gravierender wäre dies bei der BBN.

KI:
Ja, die Urknall-Nukleosynthese (BBN) hängt von der Feinstrukturkonstante (αalpha𝛼) ab. Eine Änderung vonαalpha𝛼 würde die Kernreaktionen während der BBN, die zu den primordialen Elementhäufigkeiten führen, maßgeblich beeinflussen. 
Hier sind die wichtigsten Wege, über die  αalpha𝛼 die BBN beeinflusst: 

• Neutron-Proton-Massendifferenz: Der BBN-Prozess beginnt, wenn die Temperatur so weit absinkt, dass die schwachen Wechselwirkungen, die Neutronen in Protonen umwandeln, nicht mehr im thermischen Gleichgewicht stehen. Die endgültige Häufigkeit von Helium-4 hängt stark vom Verhältnis der Anzahl von Protonen zu Neutronen ab, das beim "Einfrieren" dieser Reaktionen eingestellt wird. Die Massendifferenz zwischen Neutron und Proton (Δmnpdelta m sub n p end-subΔ𝑚𝑛𝑝) hat einen elektromagnetischen Anteil, der von αalpha𝛼 beeinflusst wird.
  • Eine kleine Änderung von αalpha𝛼 würde die Massendifferenz verändern, was wiederum das Proton-Neutron-Verhältnis und damit die am Ende erzeugte Menge an Helium-4 beeinflusst.
• Bindungsenergien von Kernen: Die Bindungsenergien der leichten Kerne (z. B. Deuterium, Helium-3, Helium-4) werden ebenfalls von der Feinstrukturkonstante beeinflusst, da diese Energien durch das Zusammenspiel von elektromagnetischer und starker Wechselwirkung bestimmt werden.
  • Insbesondere ist die Bindungsenergie des Deuteriums (p+n→D+γp plus n right arrow D plus gammap+n→D+𝛾) ein entscheidender Faktor für den Beginn der Nukleosynthese. Eine stärkere oder schwächere elektromagnetische Kraft würde die Bindungsenergie des Deuteriums verändern und damit bestimmen, bei welcher Temperatur die ersten komplexeren Kerne entstehen können.
• Coulomb-Barriere: Bei den Kernreaktionen während der BBN müssen Protonen die abstoßende Coulomb-Barriere überwinden, um mit anderen Protonen oder Kernen zu fusionieren. Die Höhe dieser elektrostatischen Barriere hängt direkt von der Feinstrukturkonstante ab.
  • Eine stärkere elektromagnetische Wechselwirkung (αalpha𝛼 wäre größer) würde die Coulomb-Barriere erhöhen, was die Fusionsreaktionen erschweren würde. Dies würde den Ablauf der BBN verlangsamen und die resultierenden Elementhäufigkeiten verändern, insbesondere die von Lithium-7. 

Folgen für die Kosmologie:
Die präzise Vorhersage der primordialen Elementhäufigkeiten durch das BBN-Modell (insbesondere Deuterium und Helium-4), die gut mit den Beobachtungen übereinstimmt, liefert eine strenge Einschränkung für eine mögliche zeitliche Variation der fundamentalen Konstanten. 

• Einige Studien haben gezeigt, dass die Diskrepanz zwischen den theoretisch vorhergesagten und den beobachteten Häufigkeiten von Lithium-7 möglicherweise durch eine Variation von αalpha𝛼 oder anderen fundamentalen Konstanten erklärt werden könnte, aber dies ist ein aktives Forschungsfeld mit vielen Unsicherheiten.
• Die Übereinstimmung der aus der BBN abgeleiteten Baryonendichte mit der unabhängig durch die CMB gemessenen Baryonendichte ist ein Triumph des kosmologischen Standardmodells und beschränkt die Variation von αalpha𝛼 zur Zeit der BBN auf ein sehr kleines Fenster.

Ein "sehr kleines Fenster" über eine Zeitspanne von 13 Mrd Jahren, ist sicher nichts, was man im Labor über ein paar 100 Jahre messen können wird.

Es gibt einige Messungen, dass sich die Feinstrukturkonstante nicht wesentlich verändert hat:
- Absorptionslinien von Quasaren
- Naturreaktor von Oklu
- Isotopenverteilung in Meteoriten

Insofern bin ich bei abweichenden Meldungen erstmal skeptisch, insbesondere was die Längen der Fehlerbalken betrifft. An eine echte Abweichung würde ich erst glauben, wenn die Physikergemeinschaft das akzeptiert und für diese Entdeckung der (dann wohlverdiente) Nobelpreis vergeben wird.
 

Clauss schrieb:

insbesondere was die Längen der Fehlerbalken betrifft.

Die Frage ist doch, wie groß müsste die Veränderung sein, %/Zeit
Wenn sich die Veränderung erst in neuer Präzisionsmessung zeigt (über welchen Zeitraum denn) dann ist das Quatsch.
Wieso sollten sich Konstanten in 13 Mrd Jahren um 0,0000001 % verändern, bzw wozu sollte das "gut" sein.

Nur als Beispiel:
Die "laufenden" Konstanten, zu denen α sowieso gehört, haben unterschiedliche Werte, je nach der Energieskala.
Für niedrige Energien ist eben α ≈ 1/137, während bei der ebenfalls üblichen höheren Energieskala des Z-Boson der Wert αZ ≈ 1/127 annimmt. Die Konstante "ändert" natürlich nicht ihrn Wert, sondern dieser ist nur unter den fragliche Bedingungen unterschiedlich.

Ja,

eine Abweichung der Feinstrukturkonstante Alpha wurde auch nicht gefunden.
Obwohl vor zig Jahren drei Messungen angeblich minimale Abweichungen belegten, diese entpuppten sich letztendlich aber als Messungsungenauigkeiten. Und Oklu hatte eh eine Aussagekraft für nur einige Milliarden Jahre.

Die Variation von Alpha würde eine Naturkonstante zu einer Variablen machen, was manchmal aber notwendig ist, das bisherige Wissen(-sstand) noch einmal zu überprüfen, um eine neue Perspektive zu finden, um neue Wege zu beschreiten, um weiterzukommen.

In der Kosmologie wurden bisher keine großen Schritte gemacht, wenn man die Entwicklungen in anderen Bereichen damit vergleicht.
- KI
- Materialwissenschaften
- Quantencomputern (viel Neues zurzeit)
- Medizin (Krebsforschung, Vakzine in verschiedenen Bereichen)
- Erich von Däniken tritt kürzer, mit 90 Jahren. Das zähle ich definitiv zu Entwicklung mit.
 

Mustafa schrieb:

.Nun, eine Variation würde die Physik durcheinanderbringen, da eine Naturkonstante danach zu einer Variablen würde.

.....bei der bekannten Konstanz eigentlich nicht.
Wie gesagt stellt sich eben die Frage nach %/Zeit.
Genauso wie Newton für das Sonnensystem in den allermeisten Fällen genügt und Einstein nicht benötigt wird.
Und selbst die ungenaue Genauigkeit von G auf lediglich 4 Stellen genügt für alle Betrachtungen. Wen juckt da eine Veränderung der siebten Dezimalstelle? .... den Theoretiker natürlich schon ) klar.

Ich würde mal behaupten das es auch ein wenig davon abhängt welcher Theorie man zugeneigt ist.

Ich Persönlich glaube an den Urknall und den Begin des Universums bei T=0, in dieser Anschauung ist es gar nicht anders möglich, als das sich alles Entwickelt und vergeht. Hier kann es keine konstanten geben.

Wenn ich daran glauben würde das der Begin des Universums beim Heißesten Zeitpunkt war, und es immer schon eine Quantenfeld mit Fluktuationen gab, dann kann ich auch an konstantes glauben aber das mache ich nicht.

FabsOtX schrieb:

Hier kann es keine konstanten geben.

Du verwechselst Parameter mit Konstanten.

Naturkonstanten sind von Beginn an vorgegeben und unabhängig davon, ob und wie sich das Universum damit entwickelt. Mir ist es schleierhaft, wie man daran denken kann, dass die Naturkonstanten in einem Paralleluniversum anders wären.
Das wäre in meinen Augen, wie wenn man annehmen würde, dass die Gasbläschen in einer Flasche Champagner aus jeweils vollkommen unterschiedlichen Gasen bestünden.

Häufig wird dies mit den Randbedingungen verwechselt, unter denen sich die Naturkonstanten anders darbieten können, wie etwa bei den laufenden Konstanten. Sie ändern sich aber nicht, sondern verhalten sich unter den gleichen Bedingungen auch immer gleich. Oder etwa bei der Frage, ob ein Universum ewig expandiert oder gleich wieder kollabiert, weil es zu wenig DE und zu viel reelle Energie  enthält. Auch dies hat gar nichts mit veränderten Naturkonstanten zu tun, sondern mit den Anfangsbedingungen der Parameter. Inwieweit diese Parameter unterschiedlich sein können, ist eine Frage des Modells. In meinem sphärischen Modell des Urknalls ist auch die anfängliche Energiedichte der DE festgelegt, ohne jede reelle Energie.

FabsOtX schrieb:

Ich Persönlich glaube an den Urknall und den Begin des Universums bei T=0, in dieser Anschauung ist es gar nicht anders möglich, als das sich alles Entwickelt und vergeht. Hier kann es keine konstanten geben.
 

Man sollte nicht den Fehler machen, Naturkonstanten und die Entwicklung des Universums als eins zu sehen.

Aus der Annahme eines Urknalls folgt automatisch eine Entwicklung des Universums, beispielsweise durch:
- Stetige Ausdehnung des Universums
- Verringerung der "durchschnittlichen Temperatur"
- Zusammenstöße von Galaxien
- Werden und Vergehen von Sternen
- Verbrennung von Wasserstoff, Erzeugung von schwereren Elementen
- Ablauf chemischer Reaktionen
- ...

Dies bedeutet aber in keinerlei Weise, dass sich deshalb die Naturkonstanten ändern müssen.