Постоянная тонкой структуры, фундаментальная константа, меняется со временем. Физический смысл постоянной тонкой структуры

Изображение галактики PKS 1413+135

Eric S. Perlman et al. / Astronomical Journal

Постоянная тонкой структуры и отношение масс протона и электрона не могли уменьшиться за последние три миллиарда лет больше, чем на 10 −6 относительно своего текущего значения. Это установили исследователи из Индии и США, статья ученых опубликована в Physical Review Letters , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Протекание всех физических процессов определяется так называемыми фундаментальными постоянными (или константами) - скоростью света, гравитационной постоянной, постоянной Планка, постоянной тонкой структуры и так далее. Эти величины входят в большинство физических законов и не зависят от того, как ученые поставили и провели эксперимент. Например, постоянную тонкой структуры можно определить, измеряя g-фактор электрона или скорость отдачи атома водорода при поглощении фотона - в обоих случаях результаты совпадают с очень хорошей точностью (до девятого знака после запятой).

Тем не менее, все эксперименты по измерению фундаментальных постоянных проводятся на Земле или сравнительно недалеко от нее (например, ). Вполне может быть, что фундаментальные постоянные вовсе не постоянны, а отличаются в разных точках Вселенной и на разных этапах ее эволюции. В самом деле, некоторые теории предполагают такое поведение (например, об этом говорится в обзоре физика Карлоса Мартинса). Поэтому ученые пытаются проверить, как постоянные меняются со временем, с помощью различных косвенных методов - например, наблюдая за красным смещением различных спектральных линий.

В этой статье группа ученых под руководством Ниссима Канекара (Nissim Kanekar) показала, что постоянная тонкой структуры α и отношение масс протона и электрона μ оставались постоянными на протяжении по меньшей мере трех миллиардов лет. Для этого они использовали два разных сателлита (satellite lines) 18-сантиметровой линии излучения радикала OH . Из-за правил отбора такие линии оказываются сопряжены, то есть имеют одинаковое очертание - если сложить оптическую толщину двух таких линий, они практически в точности компенсируют друг друга. С одной стороны, сопряженность линий гарантирует, что они излучаются одним и тем же веществом. С другой стороны, частота двух сателлитных линий по-разному зависит от параметров α и μ. Получается, что если в момент излучения эти параметры отличались от своего текущего значения, при регистрации расстояние между линиями в пространстве скоростей немного изменится, и по этому смещению можно отследить изменение параметров.

Подобные измерения частоты ученые выполнили с помощью телескопа Аресибо , который регистрировал излучение галактики PKS 1413+135 . Суммарно телескоп наблюдал за галактикой около 125 часов в период с апреля 2010 по июнь 2012 года, каждый раз сканируя ее в течение примерно пяти минут. Из-за движения Земли вокруг Солнца ученые каждый раз регистрировали линии при разных скоростях, итоговое разрешение по скорости составило около 0,18 километров в секунду. На каждом образце линии 1720 и 1612 мегагерц наблюдались одновременно. Чтобы увеличить точность измерений, ученые исключили часть данных из обработки - например, они отбрасывали события, на которых сказалась интерференция радиоволн. Кроме того, они проверяли с помощью критериев Колмогорова-Смирнова и Андерсона-Дарлинга , что спектр линий подчиняется распределению Гаусса , и исключали те измерения, для которых эти критерии не выполнялись.

Зависимость оптической толщины от скорости в гелиоцентрической системе отсчета для сателлитных линий разной частоты (слева) и сумма этих зависимостей (справа)

N. Kanekar et al. / Phys. Rev. Lett.

Затем ученые определили, при какой относительной скорости достигается максимум корреляции между спектрами линий - оказалось, что это происходит на скорости Δv ≈ +35±56 метров в секунду. Другими словами, распределения не нужно сдвигать относительно друг друга, чтобы максимум одного из них пришелся на минимум другого. Это значит, что постоянная тонкой структуры и отношение масс протона и электрона слабо изменились с тех пор, как были испущены линии. Итоговое значение для относительного изменения величины X = μα 2 составило ΔX /X ≈ (+0,97±1,53)×10 −6 , а с учетом предыдущих измерений ΔX /X ≈ (−1±1,3)×10 −6 . Поскольку галактика PKS 1413+135 имеет z ≈ 0,247, это означает, что величина X с хорошей точностью оставалась постоянной в течение последних трех миллиардов лет. Разумеется, то же самое можно сказать про изменения α и μ по отдельности.

Стоит отметить, что ранее авторы уже использовали сателлитные линии в излучении галактики PKS1413+135, чтобы определить ограничения на скорость изменения постоянной тонкой структуры. В тот раз они получили значение ΔX /X ≈ (−6,3±2,5)×10 −6 . Кроме того, другая группа ученых определила эту скорость по наблюдениям за переходами между энергетическими уровнями иона иттербия. В новой статье исследователи еще сильнее уточнили эти ограничения благодаря новым наблюдениям (примерно в шесть раз).

В октябре прошлого года американские физики-теоретики , что изменение фундаментальных констант со временем слабо влияет на первичный нуклеосинтез, в частности, на образование бериллия-8. Иначе говоря, даже если постоянная тонкой структуры и другие константы были другими на ранних этапах жизни Вселенной, это не привело бы к существенному повышению концентраций элементов тяжелее гелия, и жизнь в такой Вселенной мало бы отличалась от нашей.

Дмитрий Трунин

Различные уравнения и физические формулы содержат целый ряд различных числовых констант. Некоторые из этих констант представляют собой числа, заимствованные из чистой математики. Пример: число 3,14159…, более известное под своим греческим именем π . Мы знаем значение π до миллиардов десятичных знаков, причём не измеряя его, а вычисляя на основе чисто математического определения: π – это отношение длины окружности к диаметру. Другие математические числа, такие как квадратный корень из двух и число, обозначаемое буквой e , тоже могут быть вычислены с бесконечной точностью, если только кто-нибудь захочет это сделать.

Но в физических формулах присутствуют и другие числа, которые не имеют специфического математического происхождения. Их можно назвать эмпирическими числами. Например, в ядерной физике используется очень важное соотношение между массой протона и массой нейтрона. Его численное значение известно до семи десятичных знаков: 1,001378. На сегодняшний день не известно способа вычислить следующие десятичные знаки чисто математическим путём. Необходимо отправиться в лабораторию и измерить их. Наиболее фундаментальные из этих эмпирических чисел удостоены звания «мировых констант». Постоянная тонкой структуры – одна из таких мировых констант. Подобно π , постоянная тонкой структуры обозначается греческой буквой α (альфа). В популярной литературе часто приводится её приближённое значение 1/137. Её наиболее точное значение известно до одиннадцатого знака после запятой: 0,00729735257, и это одна из наиболее точно измеренных физических констант.

Постоянная тонкой структуры является примером величины, которые физики называют константами связи . Каждая константа связи ассоциирована в квантовой теории поля с одним из базисных событий, с определённым типом вершины на фейнмановской диаграмме. Константа связи является мерой силы или интенсивности взаимодействия, представленного вершиной соответствующего типа. В квантовой электродинамике основной тип вершин соответствует излучению фотона электроном. Рассмотрим более подробно, что происходит при излучении фотона.

Можно начать с вопроса: что определяет конкретную точку, в которой электрон, двигаясь в пространстве-времени, испускает фотон? Ответ заключается в том, что ничто не определяет, – физика на микроуровне непредсказуема. Природа содержит элемент случайности, который буквально сводил с ума Эйнштейна в его последние годы. «Бог не играет в кости!» – протестовал Эйнштейн. Но независимо от того, нравилось ли это Эйнштейну, природа не является детерминированной. В природе, как я уже сказал, есть элемент случайности, который встроен в Законы Физики на самом глубоком уровне, и даже Эйнштейн ничего не мог с этим поделать. Но то, что природа не является детерминированной, вовсе не означает, что она полностью хаотична. Вот тут и выступают на сцену принципы квантовой механики. В отличие от ньютоновской физики, квантовая механика никогда не предсказывает будущее на основании информации о прошлом. Вместо этого она предоставляет очень точные правила для вычисления вероятности различных альтернативных результатов эксперимента. Нет никакой возможности предсказать окончательное местоположение фотона, который прошёл через щель, равно как не существует никакой возможности точно предсказать, в каком месте своей траектории электрон испустит фотон или в каком месте другой электрон сможет его поглотить. Но существует определённая вероятность для этих событий.

Хорошей иллюстрацией такой вероятности служит работа электронно-лучевой трубки старого телевизора. Свет, исходящий от телевизионного экрана, состоит из фотонов, рождаемых врезающимися в экран электронами. Электроны испускаются электронной пушкой в задней части кинескопа и направляются к экрану электрическими и магнитными полями. Но не каждый электрон, врезающийся в экран, излучает фотон. Некоторые излучают, а большинство – нет. Грубо говоря, вероятность того, что конкретный электрон испустит квант света, даётся постоянной тонкой структуры α. Другими словами, только один из 137 электронов испускает фотон. Это означает, что α – это вероятность того, что электрон, двигаясь вдоль своей траектории, соблаговолит излучить фотон.

Фейнман не просто рисовал картинки. Он изобрёл набор правил для расчёта вероятностей сложных процессов, изображённых на этих картинках. Иными словами, он изобрёл точный математический аппарат, который предсказывает вероятность любого процесса в терминах простейших событий: пропагаторов и вершин. В конечном итоге вероятности всех процессов в природе сводятся к константам связи, подобных α.

Постоянная тонкой структуры также управляет интенсивностью процессов, представленных обменной диаграммой, которая, в свою очередь, определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами. Она определяет, насколько сильно атомное ядро притягивает к себе электроны. Как следствие, она определяет размер атома и скорости, с которыми электроны движутся по своим орбитам, и в конечном итоге она управляет силами, действующими между различными атомами, которые позволяют им соединяться в молекулы. Но самое важное то, что мы не знаем, почему она имеет значение 0,00729735257, а не какое-то другое. Законы Физики, обнаруженные в XX веке, оказались очень точными и полезными, но происхождение этих законов остаётся загадкой.

Теория этого упрощённого мира электронов, фотонов и точечных ядер и есть квантовая электродинамика, и её фейнмановская версия оказалась невероятно успешной. С помощью разработанных Фейнманом методов свойства фотонов, электронов и позитронов были описаны с удивительной точностью. Кроме того, если в теорию добавить упрощённый вариант ядра, то с такой же невероятной точностью удаётся описать и свойства простейшего атома – атома водорода. В 1965 году Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и японский физик Син-Итиро Томонага получили за работы по квантовой электродинамике Нобелевскую премию.

Конец первого акта.

Если в первом акте театральное действие ограничивалось только двумя персонажами, то во втором акте разворачивается на сцене эпическое полотно с сотнями актёров. Новые частицы, обнаруженные в 1950-х и 1960-х годах, пополнили ряды неуправляемой театральной массовки и на сцене, помимо электронов и фотонов, появились нейтрино, мюоны, тау-лептоны, u-кварки, d-кварки, странные кварки, очарованные кварки, b-кварки, t-кварки, глюоны, W- и Z-бозоны, бозоны Хиггса и другие действующие лица. Никогда не верьте тому, кто говорит, что физика элементарных частиц элегантна. Эта сборная солянка названий частиц отражает такое же нагромождение масс, электрических зарядов, спинов и других свойств. Но, несмотря на обилие и разнообразие действующих лиц, мы знаем, как описать их поведение с огромной точностью. «Стандартная модель» – это название математической конструкции (особого варианта квантовой теории поля), которая лежит в основе современной теории элементарных частиц. Хотя она гораздо сложнее квантовой электродинамики, фейнмановские методы настолько мощные, что и в этот раз они позволяют выразить всё в виде простых картинок. Принципы точно такие же, как в КЭД: всё построено из пропагаторов, вершин и констант связи. Но есть новые актёры и совершенно новые сюжетные линии, одна из которых называется КХД.

Каким невообразимо странным был бы мир, если бы физические константы могли изменяться! Например, так называемая постоянная тонкой структуры примерно равна 1/137. Если бы она имела другую величину, то между веществом и энергией, возможно, не было бы никакого различия.

Есть вещи, которые никогда не меняются. Ученые называют их физическими константами, или мировыми постоянными. Считается, что скорость света $c$, гравитационная постоянная $G$, масса электрона $m_e$ и некоторые другие величины всегда и везде остаются неизменными. Они образуют основу, на которой зиждутся физические теории, и определяют структуру Вселенной.

Физики прилагают немало усилий, чтобы измерить мировые постоянные со все более высокой точностью, но никому еще не удалось хоть как-то объяснить, почему их значения именно таковы, каковы они есть. В системе СИ $c = 299792458$ м/с, $G = 6,673\cdot 10^{–11}Н\cdot$м$^2$/кг$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^{–31}$ кг – совершенно не связанные между собой величины, у которых есть лишь одно общее свойство: изменись они хоть немного, и существование сложных атомных структур, в том числе живых организмов, окажется под большим вопросом. Стремление обосновать значения констант стало одним из стимулов к разработке единой теории, полностью описывающей все существующие явления. С ее помощью ученые надеялись показать, что у каждой мировой постоянной может быть только одно возможное значение, обусловленное внутренними механизмами, которые определяют обманчивую произвольность природы.

Лучшим кандидатом на звание единой теории считается М-теория (вариант теории струн), которую можно считать состоятельной в том случае, если Вселенная имеет не четыре пространственно-временных измерения, а одиннадцать. Следовательно, наблюдаемые нами постоянные фактически могут и не быть действительно фундаментальными. Истинные константы существуют в полном многомерном пространстве, а мы видим лишь их трехмерные «силуэты».

ОБЗОР: МИРОВЫЕ КОНСТАНТЫ

1. Во многих физических уравнениях встречаются величины, которые считаются неизменными всюду – в пространстве и времени.

2. В последнее время ученые сомневаются в постоянстве мировых констант. Сравнивая результаты наблюдений квазаров и лабораторных измерений, они приходят к выводу, что химические элементы в далеком прошлом поглощали свет не так, как сегодня. Различие можно объяснить изменением на несколько миллионных долей постоянной тонкой структуры.

3. Подтверждение даже столь малого изменения станет настоящим переворотом в науке. Наблюдаемые константы могут оказаться лишь «силуэтами» истинных постоянных, существующих в многомерном пространстве-времени.

Тем временем физики пришли к выводу, что величины многих постоянных могут быть результатом случайных событий и взаимодействий между элементарными частицами на ранних стадиях истории Вселенной. Теория струн допускает существование огромного количества ($10^{500}$) миров с различными самосогласованными наборами законов и констант (см. «Пейзаж теории струн», «В мире науки», №12, 2004 г. ). Пока же ученые понятия не имеют, почему была отобрана наша комбинация. Возможно, в результате дальнейших исследований количество логически возможных миров снизится до одного, но не исключено, что наша Вселенная – это лишь небольшой участок мультивселенной, в которой реализованы различные решения уравнений единой теории, а мы наблюдаем просто один из вариантов законов природы (см. «Параллельные Вселенные» , «В мире науки», №8, 2003 г. ).В таком случае для многих мировых констант нет никакого объяснения, кроме того, что они составляют редкую комбинацию, допускающую развитие сознания. Возможно, наблюдаемая нами Вселенная стала одним из многих изолированных оазисов, окруженных бесконечностью безжизненного космического пространства – сюрреалистического места, где господствуют совершенно чуждые нам силы природы, а частицы типа электронов и структуры типа атомов углерода и молекул ДНК просто невозможны. Попытка попасть туда обернулась бы неминуемой гибелью.

Теория струн была разработана в том числе и для того, чтобы объяснить кажущуюся произвольность физических постоянных, поэтому в ее основных уравнениях содержится всего несколько произвольных параметров. Но пока она не объясняет наблюдаемые значения констант.

Надежная линейка

На самом деле употребление слова «постоянная» не совсем правомерно. Наши константы могли бы изменяться во времени и в пространстве. Если бы дополнительные пространственные измерения изменялись в размере, константы в нашем трехмерном мире менялись бы вместе с ними. И если бы мы заглянули достаточно далеко в пространство, то могли бы увидеть области, где константы приняли другие значения. Начиная с 1930-х гг. ученые размышляли о том, что константы могут и не быть постоянными. Теория струн придает этой идее теоретическое правдоподобие и делает тем более важным поиск непостоянства.

Первая проблема состоит в том, что сама лабораторная установка может быть чувствительна к изменениям констант. Размеры всех атомов могли бы возрасти, но если бы линейка, которую используют для измерений, тоже стала длиннее, ничего нельзя было бы сказать об изменении размеров атомов. Экспериментаторы обычно предполагают, что эталоны величин (линейки, гири, часы) неизменны, но этого невозможно достичь при проверке констант. Исследователи должны обратить внимание на безразмерные константы – просто числа, не зависящие от системы единиц измерения, например, отношение массы протона к массе электрона.

Изменяется ли внутреннее строение мироздания?

Особый интерес представляет величина $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, объединяющая скорость света $c$, электрический заряд электрона $e$, постоянную Планка $h$ и так называемую диэлектрическую постоянную вакуума $\epsilon_0$. Ее называют постоянной тонкой структуры. Впервые она была введена в 1916 г. Арнольдом Зоммерфельдом, который одним из первых попытался применить квантовую механику к электромагнетизму: $\alpha$ связывает релятивистскую (c) и квантовую (h) характеристики электромагнитных (e) взаимодействий, в которых участвуют заряженные частицы в пустом пространстве ($\epsilon_0$). Измерения показали, что эта величина равна 1/137,03599976 (приблизительно 1/137).

Если бы $\alpha $ имела другое значение, то изменился бы весь окружающий мир. Будь она меньше, плотность твердого вещества, состоящего из атомов, уменьшилась бы (про порционально $\alpha^3 $), молекулярные связи разрывались бы при более низких температурах ($\alpha^2 $), а число устойчивых элементов в таблице Менделеева могло бы возрасти ($1/\alpha $). Окажись $\alpha $ слишком большой, малые атомные ядра не могли бы существовать, потому что связывающие их ядерные силы не смогли бы препятствовать взаимному отталкиванию протонов. При $\alpha >0.1 $ не мог бы существовать углерод.

Ядерные реакции в звездах особенно чувствительны к величине $\alpha $. Чтобы мог происходить ядерный синтез, тяготение звезды должно создавать достаточно высокую температуру, чтобы заставить ядра сближаться, несмотря на их тенденцию отталкиваться друг от друга. Если бы $\alpha $ превышала 0,1, то синтез был бы невозможен (если, конечно, другие параметры, например, отношение масс электрона и протона, остались прежними). Изменение $\alpha$ всего на 4% до такой степени повлияло бы на энергетические уровни в ядре углерода, что его возникновение в звездах просто прекратилось бы.

Внедрение ядерных методов

Вторая, более серьезная, экспериментальная проблема связана с тем, что для измерения изменений констант требуется высокоточное оборудование, которое должно быть чрезвычайно стабильным. Даже с помощью атомных часов дрейф постоянной тонкой структуры можно отслеживать на протяжении лишь нескольких лет. Если бы $\alpha $ изменялась больше чем на 4 $\cdot$ $10^{–15}$ за три года, самые точные часы позволили бы это обнаружить. Однако ничего подобного пока зарегистрировано не было. Казалось бы, чем не подтверждение постоянства? Но три года для космоса – мгновение. Медленные, но существенные изменения в течение истории Вселенной могут пройти незамеченными.

СВЕТ И ПОСТОЯННАЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ

К счастью, физики нашли другие способы проверки. В 1970-х гг. ученые французской Комиссии по ядерной энергии заметили некоторые особенности в изотопном составе руды из урановой шахты в Окло в Габоне (Западная Африка): она напоминала отходы ядерного реактора. Видимо, приблизительно 2 млрд. лет назад в Окло образовался естественный ядерный реактор (см. «Божественный реактор», «В мире науки», №1, 2004 г.).

В 1976 г. Александр Шляхтер (Alexander Shlyakhter) из Ленинградского института ядерной физики заметил, что работоспособность естественных реакторов критически зависит от точной энергии определенного состояния ядра самария, которое обеспечивает захват нейтронов. А сама энергия сильно связана с величиной $\alpha $. Так, если бы постоянная тонкой структуры была немного другой, никакая цепная реакция, возможно, не произошла бы. Но она действительно происходила, а значит, за прошедшие 2 млрд. лет постоянная не изменилась больше, чем на 1 $\cdot$ $10^{–8}$. (Физики продолжают спорить о точных количественных результатах из-за неизбежной неуверенности в условиях в естественном реакторе.)

В 1962 г. Джеймс Пиблс (P. James E. Peebles) и Роберт Дик (Robert Dicke) из Принстонского университета первыми применили подобный анализ к древним метеоритам: относительная распространенность изотопов, являющаяся результатом их радиоактивного распада, зависит от $\alpha $. Самое чувствительное ограничение связано с бета-распадом при превращении рения в осмий. Согласно недавней работе Кейта Олива (Keith Olive) из Миннесотского университета и Максима Поспелова (Maxim Pospelov) из Университета Виктории в Британской Колумбии, в то время, когда формировались метеориты, $\alpha$ отличалась от нынешнего значения на 2 $\cdot$ $10^{–6}$. Этот результат менее точен, чем данные, полученные в Окло, но он уходит дальше в глубь времен, к возникновению Солнечной системы 4,6 млрд. лет назад.

Чтобы исследовать возможные изменения на еще более длинных промежутках времени, исследователи должны обратить взор к небесам. Свет от отдаленных астрономических объектов идет к нашим телескопам миллиарды лет и несет отпечаток законов и мировых констант тех времен, когда он только начал свое путешествие и взаимодействие с веществом.

Спектральные линии

Астрономы ввязались в историю с константами вскоре после открытия квазаров в 1965 г., которые были только что обнаружены и идентифицированы как яркие источники света, расположенные на огромных расстояниях от Земли. Поскольку путь света от квазара до нас настолько велик, он неизбежно пересекает газообразные окрестности молодых галактик. Газ поглощает свет квазара на специфических частотах, отпечатывая штрих-код из узких линий на его спектре (см. врезку внизу).

ПОИСК ИЗМЕНЕНИЙ В ИЗЛУЧЕНИИ КВАЗАРА

Когда газ поглощает свет, электроны, содержащиеся в атомах, перескакивают с низких энергетических уровней на более высокие. Уровни энергии определяются тем, насколько сильно атомное ядро удерживает электроны, что зависит от силы электромагнитного взаимодействия между ними и, следовательно, от постоянной тонкой структуры. Если она была другой в тот момент времени, когда свет был поглощен, или в какой-то конкретной области Вселенной, где это происходило, то энергия, требуемая для перехода электрона на новый уровень, и длины волн переходов, наблюдаемых в спектрах, должны отличаться от наблюдаемых сегодня в лабораторных экспериментах. Характер изменения длин волн критически зависит от распределения электронов на атомных орбитах. При заданном изменении $\alpha$ одни длины волн уменьшаются, другие – увеличиваются. Сложную картину эффектов трудно спутать с ошибками калибровки данных, что делает такой эксперимент чрезвычайно полезным.

Приступив к работе семь лет назад, мы столкнулись с двумя проблемами. Во-первых, длины волн многих спектральных линий не были измерены с достаточной точностью. Как ни странно, о спектрах квазаров, удаленных на миллиарды световых лет, ученые знали гораздо больше, чем о спектрах земных образцов. Нам нужны были лабораторные измерения высокой точности, чтобы сравнить с ними спектры квазара, и мы убедили экспериментаторов провести соответствующие измерения. Они были выполнены Энн Торн (Anne Thorne) и Джульет Пикеринг (Juliet Pickering) из Имперского колледжа в Лондоне, а затем группами во главе со Свенериком Иохансоном (Sveneric Johansson) из Лундской обсерватории в Швеции, а также Ульфом Грисманном (Ulf Griesmann) и Рэйнером Клингом (Rainer Kling) из Национального института стандартов и технологии в штате Мэриленд.

Вторая проблема состояла в том, что предыдущие наблюдатели использовали так называемые щелочные дублеты – пары линий поглощения, возникающие в атомарных газах углерода или кремния. Они сравнивали интервалы между этими линиями в спектрах квазара с лабораторными измерениями. Однако такой метод не позволял использовать одно специфическое явление: вариации $\alpha $ вызывают не только изменение интервала между уровнями энергии атома относительно уровня с самой низкой энергией (основное состояние), но и изменение положения самого основного состояния. Фактически второй эффект даже более силен, чем первый. В результате точность наблюдений составила всего 1 $\cdot$ $10^{–4}$.

В 1999 г. один из авторов статьи (Веб) и Виктор Фламбаум (Victor V. Flambaum) из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии разработали методику, позволяющую принимать во внимание оба эффекта. В результате чувствительность удалось увеличить в 10 раз. Кроме того, появилась возможность сравнивать различные виды атомов (например, магний и железо) и проводить дополнительные перекрестные проверки. Пришлось выполнить сложные расчеты, чтобы точно установить, как наблюдаемые длины волн меняются в атомах различных типов. Вооружившись современными телескопами и датчиками, мы решили проверить постоянство $\alpha $ с беспрецедентной точностью по новому методу многих мультиплетов.

Пересмотр взглядов

Приступая к экспериментам, мы просто хотели с более высокой точностью установить, что величина постоянной тонкой структуры в древние времена была такой же, как сегодня. К нашему удивлению, результаты, полученные в 1999 г., показали небольшие, но статистически существенные различия, которые впоследствии подтвердились. Используя данные по 128 линиям поглощения квазара, мы зарегистрировали увеличение $\alpha$ на 6 $\cdot$ $10^{–6}$ за прошедшие 6–12 млрд. лет.

Результаты измерений постоянной тонкой структуры не позволяют сделать окончательных выводов. Некоторые из них указывают, что когда-то она была меньше, чем сейчас, а некоторые – нет. Возможно, α менялась в далеком прошлом, но теперь стала постоянной. (Прямоугольники изображают диапазон изменения данных.)

Смелые утверждения требуют состоятельных доказательств, так что первым нашим шагом стал тщательный пересмотр методов сбора данных и их анализа. Ошибки измерения можно разделить на два типа: систематические и случайные. Со случайными неточностями все просто. В каждом отдельном измерении они принимают разные значения, которые при большом количестве измерений усредняются и стремятся к нулю. С систематическими ошибками, которые не усредняются, бороться труднее. В астрономии неопределенности такого рода встречаются на каждом шагу. В лабораторных экспериментах настройку приборов можно менять, чтобы минимизировать ошибки, но астрономы не могут «подстроить» Вселенную, и им приходится признавать, что все их методы сбора данных содержат неустранимые смещения. Например, наблюдаемое пространственное распределение галактик заметно смещено в сторону ярких галактик, потому что их легче наблюдать. Идентификация и нейтрализация таких смещений – постоянная задача для наблюдателей.

Сначала мы обратили внимание на возможное искажение масштаба длин волн, относительно которого измерялись спектральные линии квазара. Оно могло возникнуть, например, во время переработки «сырых» результатов наблюдения квазаров в калиброванный спектр. Хотя простое линейное растяжение или сжатие масштаба длины волны не могло точно имитировать изменение $\alpha$, даже приблизительного сходства было бы достаточно для объяснения полученных результатов. Постепенно мы исключили простые ошибки, связанные с искажениями, подставляя вместо результатов наблюдения квазара калибровочные данные.

Более двух лет мы разбирались с различными причинами смещения, чтобы убедиться, что их влияние пренебрежимо мало. Мы обнаружили только один потенциальный источник серьезных ошибок. Речь идет о линиях поглощения магния. Каждый из трех устойчивых его изотопов поглощает свет с разными длинами волн, которые очень близки друг к другу и в спектрах квазаров видны как одна линия. Исходя из лабораторных измерений относительной распространенности изотопов, исследователи судят о вкладе каждого из них. Их распределение в молодой Вселенной могло бы существенно отличаться от современного, если бы звезды, которые испускали магний, в среднем были более тяжелыми, чем их сегодняшние аналоги. Такие различия могли бы имитировать изменение $\alpha $.Но результаты исследования, опубликованного в этом году, указывают, что наблюдаемые факты не так легко объяснить. Йеш Феннер (Yeshe Fenner) и Брэд Гибсон (Brad K. Gibson) из Технологического университета Суинберна в Австралии и Майкл Мэрфи (Michael T. Murphy) из Кембриджского университета пришли к выводу, что распространенность изотопов, необходимая для имитации изменения $\alpha$, приводила бы также к избыточному синтезу азота в ранней Вселенной, что совершенно не соответствует наблюдениям. Таким образом, мы должны смириться с вероятностью того, что $\alpha $ действительно изменялась.

ИНОГДА МЕНЯЕТСЯ, ИНОГДА – НЕТ

Согласно гипотезе, выдвинутой авторами статьи, в одни периоды космической истории постоянная тонкой структуры оставалась неизменной, а в другие – возрастала. Экспериментальные данные (см. предыдущую врезку) согласуются с этим предположением.

Научное сообщество сразу оценило значение полученных нами результатов. Исследователи спектров квазаров всего мира тут же занялись измерениями. В 2003 г. научно-исследовательские группы Сергея Левшакова (Sergei Levshakov) из Санкт-Петербургского физикотехнического института им. Иоффе и Ральфа Кваста (Ralf Quast) из Гамбургского университета изучили три новые системы квазаров. В прошлом году Хам Чанд (Hum Chand) и Рагунатан Шринанд (Raghunathan Srianand) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Индии, Патрик Птижан (Patrick Petitjean) из Института астрофизики и Бастьен Арасиль (Bastien Aracil) из LERMA в Париже проанализировали еще 23 случая. Ни одна из групп не обнаружила изменения $\alpha $. Чанд утверждает, что любое изменение за интервал от 6 до 10 млрд. лет назад должно быть меньше, чем одна миллионная.

Почему похожие методики, использованные для анализа различных исходных данных, привели к такому радикальному несоответствию? Ответ пока неизвестен. Результаты, полученные упомянутыми исследователями, имеют превосходное качество, но объем их выборок и возраст проанализированного излучения существенно меньше, чем у нас. К тому же Чанд использовал упрощенную версию многомультиплетного метода и не проводил полную оценку всех экспериментальных и систематических ошибок.

Известный астрофизик Джон Бэкол (John Bahcall) из Принстона подверг критике сам многомультиплетный метод, но проблемы, на которые он обращает внимание, относятся к категории случайных ошибок, которые сводятся к минимуму при использовании больших выборок. Бэкол, а также Джефри Ньюман (Jeffrey Newman) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли рассматривали линии испускания, а не поглощения. Их подход намного менее точен, хотя в будущем, возможно, окажется полезным.

Законодательная реформа

Если наши результаты окажутся правильными, последствия будут огромны. До недавнего времени все попытки оценить, что произошло бы с Вселенной, если бы постоянная тонкой структуры изменилась, были неудовлетворительными. Они не шли дальше рассмотрения $\alpha$ как переменной в тех же формулах, которые были получены в предположении, что она постоянна. Согласитесь, весьма сомнительный подход. Если $\alpha $ изменяется, то энергия и импульс в связанных с ней эффектах должны сохраняться, что должно влиять на гравитационное поле во Вселенной. В 1982 г. Якоб Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) из Еврейского университета в Иерусалиме впервые обобщил законы электромагнетизма для случая непостоянных констант. В его теории $\alpha $ рассматривается как динамическая компонента природы, т.е. как скалярное поле. Четыре года назад один из нас (Бэрроу) вместе с Хеуордом Сэндвиком (Håvard Sandvik) и Хояо Магуэйхо (João Magueijo) из Имперского колледжа в Лондоне расширили теорию Бекенштейна, включив в нее учет сил тяготения.

Предсказания обобщенной теории заманчиво просты. Поскольку электромагнетизм в космических масштабах намного слабее гравитации, изменения $\alpha$ на несколько миллионных не оказывают на расширение Вселенной заметного влияния. А вот расширение существенно влияет на $\alpha $ за счет несоответствия между энергиями электрического и магнитного полей. В течение первых десятков тысяч лет космической истории излучение доминировало над заряженными частицами и поддерживало баланс между электрическим и магнитным полями. По мере расширения Вселенной излучение разреживалось, и доминирующим элементом космоса стало вещество. Электрические и магнитные энергии оказались неравными, и $\alpha $ начала возрастать пропорционально логарифму времени. Приблизительно 6 млрд. лет назад начала преобладать темная энергия, ускорившая расширение, которое затрудняет распространение всех физических взаимодействий в свободном пространстве. В результате $\alpha$ снова стала почти постоянной.

Описанная картина согласуется с нашими наблюдениями. Спектральные линии квазара характеризуют тот период космической истории, когда доминировала материя и $\alpha$ возрастала. Результаты лабораторных измерений и исследований в Окло соответствуют периоду, когда доминирует темная энергия и $\alpha$ постоянна. Особенно интересно дальнейшее изучение влияния изменения $\alpha$ на радиоактивные элементы в метеоритах, потому что оно позволяет исследовать переход между двумя названными периодами.

Альфа – это только начало

Если постоянная тонкой структуры изменяется, то материальные объекты должны падать по-разному. В свое время Галилей сформулировал слабый принцип эквивалентности, согласно которому тела в вакууме падают с одинаковой скоростью независимо от того, из чего они состоят. Но изменения $\alpha$ должны порождать силу, действующую на все заряженные частицы. Чем больше протонов содержит атом в своем ядре, тем сильнее он будет чувствовать ее. Если выводы, сделанные при анализе результатов наблюдения квазаров, верны, то ускорение свободного падения тел из различных материалов должно отличаться примерно на 1 $\cdot$ $10^{–14}$. Это в 100 раз меньше, чем можно измерить в лаборатории, но достаточно много, чтобы обнаружить различия в таких экспериментах, как STEP (проверка принципа эквивалентности в космосе).

В предыдущих исследованиях $\alpha $ ученые пренебрегали неоднородностью Вселенной. Подобно всем галактикам, наш Млечный путь приблизительно в миллион раз более плотен, чем космическое пространство в среднем, так что он не расширяется вместе со Вселенной. В 2003 г. Бэрроу и Дэвид Мота (David F. Mota) из Кембриджа вычислили, что $\alpha$ может вести себя по-разному в пределах галактики и в более пустых областях пространства. Как только молодая галактика уплотняется и, релаксируя, приходит в гравитационное равновесие, $\alpha$ становится постоянной внутри галактики, но продолжает меняться снаружи. Таким образом, эксперименты на Земле, в которых проверяется постоянство $\alpha$, страдают от предвзятого выбора условий. Нам еще предстоит разобраться, как это сказывается на проверке слабого принципа эквивалентности. Никакие пространственные вариации $\alpha$ пока еще не были замечены. Полагаясь на однородность реликтового излучения, Бэрроу недавно показал, что $\alpha $ не изменяется больше чем на 1 $\cdot$ $10^{–8}$ между областями небесной сферы, отстоящими на $10^o$.

Нам остается ждать появления новых данных и проведения новых исследований, которые окончательно подтвердят или опровергнут гипотезу об изменении $\alpha $. Исследователи сосредоточились именно на этой константе просто потому, что эффекты, обусловленные ее вариациями, легче заметить. Но если $\alpha $ действительно непостоянна, то другие константы тоже должны изменяться. В таком случае нам придется признать, что внутренние механизмы природы гораздо сложнее, чем мы предполагали.

ОБ АВТОРАХ:
Джон Бэрроу (John D. Barrow) , Джон Веб (John K. Webb) занялись исследованием физических постоянных в 1996 г. во время совместного творческого отпуска в Сассекском университете в Англии. Тогда Бэрроу исследовал новые теоретические возможности изменения констант, а Веб занимался наблюдениями квазаров. Оба автора пишут научно-популярные книги и часто выступают в телевизионных программах.

Cтраница 3

Следует отметить, что хотя в последние годы изучение тонкой структуры сополимеров привлекает большое внимание исследователей, возможности применяемых методов еще весьма ограничены, особенно в отношении характеристики чередования звеньев.  

Интерферометр Фабри - Перо используется в спектроскопии для изучения тонкой структуры спектральных линий.  

Найденные Жиге ром константы вращения на основании изучения тонкой структуры полосы 7040 см совпали с ранее проведенными исследованиями в условиях высокой дисперсии. При варьировании азимутального утла от 0 до 180 получены следующие крайние значения моментов инерции: 1А 2 89 - 2 76; / в 32 0 - 35 1 и / с 35 0 - 32 4 - 10 40 г-смг. Можно видеть, что гармоническая средняя больших моментов почти не зависит от величины, принятой для азимутального угла. Поскольку этот момент в большей степени зависит от недостаточно точно определенного расстояния О - Н, чем от азимутального угла, определение точной величины последнего не имеет существенного значения.  

В аналитической практике ЯМР находит наибольшее применение при изучении тонкой структуры резонанса изолированного ядра; для этого используют спектрометр ЯМР высокого разрешения. Некоторые спектрометры сконструированы только для изучения ядер водорода (протонов), другие позволяют наблюдать также резонанс фтора или фосфора.  

Особое значение придается экспериментальным работам, ставящим себе целью изучение тонкой структуры турбулентных процессов.  

Особое значение придается экспериментальным работам, ставящим себе целью изучение тонкой структуры турбулентных процессов. Существуют специальные институты механики турбулентности, занимающиеся исследованиями разнообразных пространственно-временных статистических характеристик полей пульсационных скоростей и давлений.  

Хорошим материалом для оттенения является уран, особенно при изучении очень тонких структур, поскольку он обладает весьма малым размером кристаллитов; однако уран дорог и, кроме того, окисляется на воздухе, что, по-видимому, приводит к некоторому снижению рассеивающей способности по сравнению с величиной, приведенной в таблице.  

Керен и Реш , а также и Реш , занимались изучением тонкой структуры простых полиэфиров. Так, Реш нашел, что прирост длины полиэтиленгликоле-вой цепи на одну этиленоксидную группу равен - 2 А. Расчет для зигзагообразной цепи по известным величинам атомных расстояний и валентных углов дает для периода идентичности величину 3 4 А. Сокращение длины цепи на 43 % связано с образованием извитой спиральной структуры.  

Измерение эффектов второго порядка используют для получения информации о нелинейности электрохимической кинетики, изучения тонкой структуры двойного электрического слоя.  

Экспериментальные данные, позволившие открыть спин электрона, были получены главным образом при изучении тонкой структуры спектральных линий; краткое описание такой структуры дано в гл. Один из наиболее значительных экспериментов, опыт Штерна - Герлаха, был предложен в 1921 г. немецким физиком Отто Штерном (1888 - 1969) и в том же году выполнен вместе с В. Схема установки, использованной в эксперименте, показана на рис. 3.28. В процессе опыта серебро испарялось в условиях высокого вакуума из печи, расположенной на дне устройства. Узкий пучок атомов серебра, выходивший через калиброванное отверстие, попадал в сильно неоднородное магнитное поле, создаваемое полюсами магнита специальной формы. Затем пучки, отклоненные полем, попадали на фотопластинку и их следы удавалось обнаружить после проявления пластинки. Было установлено, что исходный пучок атомов серебра расщеплялся на два пучка.  

Представление о спине введено в 1925 г. (Уленбек п Гаудсмит) на основе изучения тонкой структуры спектральных линий.  

Этот вид упрочнения трубных сталей относительно точно можно определить по экспериментальным результатам, полученным при изучении тонкой структуры с помощью электронной микроскопии. Субструктурное упрочнение на поздних стадиях своего развития изменяется по параболическому закону.  

Способность растворов полициклических ароматических углеводородов к люминесценции позволяет определять с большой точностью состав смолистых веществ при записи и изучении тонкой структуры спектров низкотемпературной люминесценции в н-окта-не при - 193 С. Определяемая концентрация 3 4-бензпирена лежит в пределах ЦДК.  

Вместе с тем известно, что даже моноатомные по высоте ступени скола являются местами предпочтительного образования зародышей - на этом принципе основана методика изучения тонкой структуры поверхности посредством декорирования. Различные виды обработки поверхности - очистка, скалывание в вакууме, электронная бомбардировка и другие - приводят к заметному изменению плотности зародышей.  

Одним из наиболее важных технических вопросов при исследовании спектров испускания атомов меди и никеля в соединениях и сплавах, еще более усложнившимся при изучении тонкой структуры спектров поглощения этих же элементов, являлся вопрос о поглощении, которое испытывает рентгеновское излучение на пути от антикатода рентгеновской трубки спектрографа до рентгенопленки. В табл. 7 представлены величины, характеризующие проницаемость для медного и никелевого излучения отдельных препятствий, встречаемых рентгеновскими лучами на пути к пленке.  

Коллега, бытует известное высказывание Вольфганга Паули о том, что после смерти он попытается выяснить у Сатаны смысл постоянной тонкой структуры. Почему именно у Сатаны?

Возможно потому, мой друг, что по меткому выражению Фейнмана сам факт существования этого загадочного числа является «проклятием для всех физиков». И действительно долгое время (более полувека) физический смысл этой безразмерной константы оставался величайшей тайной, ибо никто не знал, как появляется это магическое число.

Чтобы разобраться с этим, необходимо вспомнить две постоянные:
- постоянную Кеплера: Kп = v^2*R, Дж*м/кг (или м^3/с^2) и
- постоянную Планка: h = m*v*R, Дж*с (или кг*м^2/с).

Если в постоянную Кеплера подставить минимально возможное (по модулю – максимальное) значение гравитационного потенциала, то получим минимально возможный орбитальный радиус, который мы называем гравитационным радиусом (этот радиус имеет отношение к гравитационному полю):

Rg = Kп/c^2, м.

Если же подставить значение максимальной скорости в постоянную Планка, то получим другой минимально возможный радиус, который мы называем радиусом Комптона (этот радиус имеет отношение к электромагнитному полю):

Rэм = h/(m*c), м.

Отношение данных радиусов для атома водорода (простейший случай) даёт нам значение постоянной тонкой структуры:

Rg/rэм = (Kп*m)/(h*c) = a = 1/137,036.

Коллега, и это всё?

Нет, не всё, мой друг. Это справедливо (как уже сказано) только для атома водорода, где масса поля равна массе электрона (m = me), а гравитационный радиус – так называемому «классическому радиусу электрона» (rg = re). Однако уже отсюда видно, что всё сводится к отношению двух минимально возможных радиусов (гравитационного и электромагнитного) в потенциальном поле атома.

Для многих постоянная тонкой структуры была количественной характеристикой только электромагнитного взаимодействия, а фактически она характеризует соотношение геометрических параметров гравитационного и электромагнитного полей.

Проблема здесь заключается в том, что многие из нас не могут признать реальное присутствие гравитации в потенциальном поле атома, ибо в соответствии с так называемым «всемирным» законом тяготения действие гравитации в поле атома исчезающе мало.

Опасаясь лишний раз ставить под сомнение «всемирный» закон, мы как бы «забываем» о том, что в микрополе чудесно действуют законы Кеплера (особенно, его третий Закон). А тех физиков, которые использовали эти «законы неба» в поле атома (Макс Борн, Эдуард Шпольский...), к великому сожалению, вообще можно сосчитать на пальцах одной руки. Поэтому, гравитационный радиус атома водорода мы продолжаем называть классическим радиусом электрона. И это мы вынуждены признать, как неоспоримый ФАКТ.

Коллега, а какой же смысл имеет постоянная тонкой структуры для общего случая?

Смысл остаётся тем же: эта удивительная постоянная характеризует соотношение геометрических параметров гравитационного и электромагнитного полей.

Однако необходимо помнить, что для общего случая произведение массы поля на электромагнитный радиус Комптона является величиной постоянной (вытекает из элементарной теории эффекта Комптона):

M*rэм = me*re/a = const

В то же время, произведение массы поля на гравитационный радиус зависит от значения электрического заряда поля (вытекает из известного уравнения m*rg/q^2 = me*re/e^2 = 10^-7 кг*м/Кл^2):

M*rg = me*re*Z^2, где Z = q/e.

Поэтому, для общего случая имеем: rg = rэм*Z^2*a, или rg/rэм = Z^2*a.