Een bizar getal…

In het SF-verhaal ‘Teruggaan valt niet mee’ speelt niet alleen Pizza Hawaii een rol, maar ook één van de meest bizarre getallen uit onze werkelijkheid: de Fijnstructuurconstante.

Hieronder daarover wat uitleg. Het verhaal vind je als openingsverhaal in het boekje ‘Het zal anders’.

Het getal

De meeste natuurkundige constanten hebben een eenheid, zoals meter, kilogram of seconde. Hun numerieke waarde hangt af van het gekozen meetsysteem en heeft op zichzelf geen absolute betekenis. De fijnstructuurconstante α is anders. Het is een zuiver getal – ongeveer 1/137,035999084 – zonder eenheid, onafhankelijk van enige meetconventie en niet te beïnvloeden door de keuze van andere schalen. Het is hetzelfde getal in elk eenhedenstelsel dat welke beschaving op welke planeet dan ook zou kunnen gebruiken. Het is een van de meest fundamentele getallen in de natuur en bepaalt alles wat te maken heeft met de wisselwerking tussen licht en materie: de sterkte van de elektromagnetische kracht, de onderlinge afstand tussen energieniveaus in atomen, de helderheid van spectraallijnen en zelfs het bestaan ​​van de chemie zoals wij die kennen.

α duikt overal op in de kwantumelektrodynamica als koppelingsconstante: het getal dat bepaalt hoe sterk een elektron op een foton reageert. Als α ook maar iets zou afwijken, zouden atomen zoals wij die kennen niet kunnen bestaan. Bij een waarde van 1/100 zouden elektronen in een spiraalbaan op de atoomkern terechtkomen, te snel voor stabiele chemie. Bij een waarde van 1/200 zouden atomen te groot worden en chemische bindingen te zwak voor de vorming van complexe moleculen. Het lijkt erop dat het universum alleen leven kan herbergen als α binnen een nauw bereik valt; dat dit getal zich daadwerkelijk in dat bereik bevindt, kan door de huidige theorieën niet worden verklaard.

Feynman omschreef α als “een van de grootste mysteries in de natuurkunde, een magisch getal dat ons bereikt zonder dat de mens begrijpt waar het vandaan komt.” Elke poging om het getal af te leiden uit fundamentele principes is mislukt. De snaartheorie levert een ‘landschap’ van mogelijke waarden op. Antropische argumenten stellen dat we de waarde 1/137 waarnemen omdat andere waarden geen waarnemers zouden toelaten. Geen van beide is een echte afleiding; beide zijn in feite een erkenning dat het getal afkomstig is uit een bron die buiten ons huidige theoretische bereik ligt. Na een eeuw van uiterst nauwkeurig natuurkundig onderzoek is α tot op twaalf decimalen gemeten en gebruikt voor voorspellingen met een nauwkeurigheid van één op een biljoen, maar er is nog geen enkel aanknopingspunt gevonden voor de vraag waarom het getal juist deze waarde heeft. Het belangrijkste zuivere getal in de kwantummechanica is aangekomen zonder afzender, en die is er ook nooit bijgekomen.