Изменение фундаментальных констант

Эти связи часто выражаются в виде уравнений, но они также регулируются константами в этих уравнениях.

Например, стандартная модель физики элементарных частиц состоит из уравнений, которые предсказывают существование и поведение частиц, которые являются строительными блоками нашей Вселенной. Но стандартная модель также зависит от набора констант, которые не могут быть предсказаны этой моделью, а только измерены — это такие вещи, как масса электрона и относительные силы фундаментальных взаимодействий в природе.

Почему фундаментальные константы принимают значения, которые они принимают, — это очень глубокий вопрос на который пока нет ответа. Ответ на него лежит в более глубокой основополагающей теории, так называемой Теории Великого объединения. Но некоторые предложенные теории предсказывают нечто тревожащее.

Они предсказывают, что фундаментальные константы могут быть вовсе не постоянными, а изменяться во времени и пространстве.

Мы не будем вдаваться в детали этих теорий. Вместо этого мы рассмотрим эксперименты и доказательства, потому что есть намёк на доказательства того, что по крайней мере одна фундаментальная константа, на самом деле, переменна. Чтобы измерить изменения фундаментальной константы, сначала нужно выбрать правильную константу.

Давайте попробуем выбрать скорость света. Её значение сейчас составляет 299 792 458 метров в секунду в вакууме.

Но всегда ли было это значение?

Было высказано предположение, что изменение скорости света может быть альтернативой теории инфляции или даже очевидному расширению Вселенной. Но это нельзя пока проверить. Во-первых, наши определения единиц, используемых для определения скорости света, являются произвольными и сами зависят от этой скорости. Метр, как мера длины, официально определяется как расстояние, которое свет проходит за одну 299 792 458-ю секунды. А секунда, как мера времени, определяется в терминах определенной частоты света, испускаемого атомом цезия-133.

Если скорость света изменяется, параметры, которые мы используем для измерения этой скорости, также меняются. Скорость света определяет отношения между пространством и временем, поэтому имеет ли смысл говорить о том, что она меняется независимо от своих основных измерений?

На самом деле, может оказаться невозможным интерпретировать изменения любой физической константы, имеющей единицы измерения. Размеры, например, гравитационной постоянной Ньютона или массы электрона — все они имеют произвольные определения, данные человеком. Единственный способ изучения безразмерной константы — это тот, который не имеет единиц, и, следовательно, не зависит от наших определений этих единиц.

Возможно, наиболее перспективным примером является постоянная тонкой структуры. Это безразмерное описание силы электромагнитного взаимодействия. На языке квантовой теории поля, это сила взаимодействия между электромагнитным полем и фотонами. Мы используем греческую букву Альфа для представления постоянной тонкой структуры. И её числовое значение является одним из наиболее точно измеренных величин в физике, с точностью до одной части на 4 миллиарда. Приблизительное значение составляет около 1/137 без единиц измерения. Это безразмерное число. Никто не знает, почему Альфа имеет именно такое значение. Но если его сильно изменить, наша Вселенная будет выглядеть совсем по-другому.

Первое измерение этого фундаментального параметра происходило посредством его влияния на мелкозернистую структуру уровней атомной энергии, откуда константа и получила свое название. Этот эффект также показывает, меняется ли Альфа. Так что давайте разберемся с этим. Энергетические уровни электронов — или орбитали в атомах — квантованы, то есть разрешены только определенные уровни. Когда электроны перемещаются между уровнями, они излучают или поглощают фотоны с энергией, равной потерянной или полученной электроном. Мы видим этот эффект в резких всплесках или провалах света на определенных длинах волн, когда наблюдаем спектр газа. Мы называем эти особенности спектральными линиями. И если вы посмотрите на их мелкозернистую структуру, вы увидите, что некоторые линии разделены на две части, соответствующие очень незначительно различным энергиям. Это разделение происходит из-за того, что на каждом уровне атомной энергии могут находиться два электрона. И эти электроны имеют спины, направленные в противоположные стороны.

Квантовый спин дает электронам то, что мы называем магнитным моментом. Они имеют магнитные поля, так же, как маленький стержневой магнит, или электрические токи, вращающиеся в кольце, даже если нет фактического вращения. Эти же электроны вращаются вокруг атомного ядра, и это движение генерирует собственное магнитное поле. Магнитные поля, создаваемые спином электрона и его орбитальным движением, фактически взаимодействуют друг с другом в эффекте, называемом спин-орбитальным взаимодействием.

Для этого взаимодействия существуют две устойчивые конфигурации: стержневой магнит может быть выровнен с орбитальным полем или быть против него. Выравнивание с полем является более стабильным. Оно имеет немного меньшую энергию, чем противоположное выравнивание. Поэтому, когда электроны скатываются между орбиталями, энергия, которую они поглощают или испускают, зависит от их спинового выравнивания. В результате получается очень небольшая разница в длинах волн спектральных линий, создаваемых этими переходами.

Хорошо, но какое отношение всё это имеет к изменению законов физики?

Ну, величина этого разделения длины волны очень сильно зависит от постоянной тонкой структуры. Чтобы измерить изменения в Альфа, нам просто нужно найти изменения в величине расщепления линий. Ключ к этому измерению — квазары —  светящиеся сгустки перегретой материи, окружающие самые массивные черные дыры во Вселенной. Их можно увидеть за миллиарды световых лет.

Когда свет квазара проходит через гигантские космические облака газа на своем пути к нам, элементы в этих облаках поглощают фотоны, создавая спектральные линии. Глядя на многие квазары, мы можем обнаружить поглощающие облака, существовавшие в разные прошлые эпохи Вселенной. Тонкая структура, расщепляющаяся на эти линии поглощения, может затем использоваться для отслеживания изменений Альфа за космическое время.

Группа исследователей в Австралии сделала именно это. Они использовали телескоп обсерватории Кека на Гавайях для изучения линий поглощения железа и магния из космических облаков вдоль линий видимости 143 квазаров. Их результаты показывают, что Альфа была немного меньше в прошлом примерно на одну стотысячную часть. В своей работе, опубликованной в 2004 году, они заявили о значимости 5 сигм, что указывает на уверенное обнаружение изменения Альфа. Это интригует, но затем исследователи направили очень большой телескоп в Чили на другую часть неба. И они обнаружили, что Альфа изменяется в противоположном направлении. Посмотрев в новом направлении, они обнаружили, что Альфа была больше в прошлом, предполагая как временную, так и пространственную вариацию. Значение пространственной вариации было заявлено предварительно в 4 сигма.

Все это наводит на размышления. Но эти результаты отнюдь не получили широкого признания. Некоторые недавние попытки повторного анализа данных указывают только на значимость 2–3 сигм, что согласуется с отсутствием изменений Альфа.

Проблема здесь в том, что измерение действительно очень сложно. Фотоны из этих чрезвычайно удаленных квазаров и газовых облаков массово меняются местами — их длины волн растягиваются из-за расширения Вселенной. Поэтому красное смещение должно быть тщательно учтено. И есть много других потенциальных систематических ошибок, которые могут приводить к изменению постоянной тонкой структуры. Эти потенциальные подводные камни и поэтому очень важно для научных экспериментов быть проведенными множественными командами прежде чем можно будет принять и результаты. На данный момент всё это остается только предположением до тех пор, пока не будут проведены более качественные эксперименты. 

Проводятся и другие эксперименты. Например, есть естественный ядерный реактор Окло в Габоне, Центральная Африка. Это урановое месторождение подверглось естественному термоядерному синтезу 2 миллиарда лет назад. Ученые анализируют оставшиеся продукты распада, чтобы увидеть, была ли Альфа меньше, когда произошло это событие в прошлом. Мы также пытаемся разработать атомные часы с достаточной точностью, чтобы отслеживать изменения Альфа в реальном времени. Если константа тонкой структуры меняется, то она не меняется очень сильно.

Почему нас это волнует?

Потому, что любое измерение изменения Альфа может предоставить доказательства, которые подтверждают великие теории, предсказывающие такие изменения. В настоящее время мы остро нуждаемся в таких доказательствах. И проверка изменения может быть способом решения проблемы тонкой настройки. Некоторые астрофизические процессы, которые считаются необходимыми для появления жизни, весьма чувствительны к некоторым фундаментальным константам, особенно к Альфа. На самом деле, если Альфа сильно отличается, то химия будет работать по-другому, или не будет работать вообще. Сами звезды никогда бы не сформировались. Может показаться удачным, что Альфа настроена на вселенную с теплотой звезд и богатой и сложной химией — и то и другое необходимы для жизни. Но если фундаментальные константы меняются от места к месту, то неудивительно, что мы оказываемся в той части Вселенной, которая благоприятна к звездам, планетам и жизни.

Ученые также изучают вариации других безразмерных констант, таких как массовое отношение протон-электрон и более неясный магнитный момент протона. Поиски продолжаются. Более крупные исследования с будущими поколениями телескопов, более совершенные космологические модели и лучшие атомные часы также помогут ученым постепенно сократить имеющиеся экспериментальные ошибки. Однажды мы можем обнаружить, что наши священные законы физики и лежащие в их основе константы, в конце концов, не так постоянны за пределами нашего маленького участка пространства-времени.