Обвинения в "изменах" с постоянной тонкой структуры пока не сняты
Исследования спектров квазаров и возможные вариации постоянной тонкой структуры
С помощью исследования спектров отдаленных квазаров на спектрометре UVES, установленном на 8,2-метровом Очень большом телескопе (Very Large Telescope - VLT) Южной европейской обсерватории (ESO) Paranal в Чили удалось наложить новые строгие ограничения на возможные вариации во времени важной физической константы - постоянной тонкой структуры.
Постоянная тонкой структуры, обвиняемая в непостоянстве
Постоянная тонкой структуры - это безразмерное число, которое определяет силу взаимодействия между заряженными частицами и электромагнитными полями и отвечает за взаимодействие света с веществом. Обозначается как "альфа", составляет примерно 1/137,03599958 и может быть представлена как комбинация электрического заряда электрона, константы Планка и скорости света. Предыдущие исследования в этой области с помощью астрономических методов позволили предположить, что "альфа" немного увеличивается с течением времени и таким образом за период существования нашей Вселенной заметно изменилась. Если бы такой факт был подтвержден, то это имело бы самые серьезные последствия для фундаментальной физики, ведь постоянная тонкой структуры "завязана" на скорость света в вакууме, которая тогда тоже должна меняться со временем, что входит в противоречие с теорией Эйнштейна.
Фундаментальные законы физики, как теперь считается, зависят от 25 фундаментальных констант. Самые известные примеры такого рода констант - это гравитационная постоянная, которая определяет характер взаимодействия между телами в космосе (например, между Землей и Луной), масса и заряд электрона и скорость света в вакууме. Обнаружение или ограничение возможных временных вариаций фундаментальных физических постоянных критически важно с точки зрения понимания основ физики того мира, в котором мы живем.
Даже судя по названию, фундаментальные физические константы просто обязаны быть "постоянными". То есть однажды полученные числа должны всегда и везде быть одними и теми же, с самого начала этой Вселенной. Однако современные теории фундаментальных взаимодействий вроде теорий великого объединения или теории суперструн, которые нацелены на объединение гравитации и квантовой механики, не только предсказывают зависимость фундаментальных физических постоянных от энергии взаимодействия частиц (эксперименты в области физики элементарных частиц показали, что постоянная тонкой структуры может с ростом энергии столкновений вырасти до приблизительно 1/128), но и учитывают их вариации за так называемое космологическое время. Возможны также пространственные вариации фундаментальных констант. Вариации фундаментальных констант легко могут возникнуть, если помимо трех пространственных измерений допустить существование скрытых измерений (компактификации), что также следует из новейших теорий.
Собственно, еще в 1955 году в Советском Союзе гениальный физик-теоретик Лев Ландау предполагал возможность зависимости "альфы" от времени, а в конце 1960-х Георгий Гамов (эмигрировавший к тому времени из СССР в Соединенные Штаты) предположил, что заряд электрона (а следовательно, и "альфа"), может изменяться. Однако понятно, что подобные изменения, если они вообще имеют место, не могут быть очень большими, иначе они бы уже давно "всплыли" в сравнительно простых экспериментах. Таким образом, чтобы проследить эти возможные изменения, требуются самые сложные и точные методы.
Несколько лет назад известный американский физик Фриман Дайсон (Freeman Dyson) изучал продукты радиоактивного распада в уникальном естественном ядерном реакторе в Габоне (цепная реакция в отложениях урана там протекала приблизительно 2 миллиарда лет назад). Дайсон использовал полученные данные, чтобы оценить древнее значение "альфы". Согласно его заключению, прежнее значение постоянной тонкой структуры, скорее всего, не отличалось от современного (возможная погрешность не превосходит одной десятимиллионной, то есть изменение значения константы не превышает 0,5x10-16 в год).
Однако в конце 1990-х появились новые данные из астрономических наблюдений (Джон Вебб (John K.Webb) и его коллеги, телескоп Keck I, xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9803165): были обнаружены крошечные изменения в длинах световых волн от отдаленных квазаров. Моделирование поглощения их света межзвездными облаками показало, что значение "альфы" 10-12 миллиардов лет назад, возможно, было больше нынешнего на 5-7 миллионных.
Затем новый поворот: Гарольд Марион (Harold Marion) вместе с коллегами из Парижской обсерватории (Observatoire de Paris) во Франции и американец Джеймс Бергквист (James Bergquist) с сотрудниками из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology) в Колорадо исключили любые изменения этой константы, превышающие 7x10-15 - 7x10-16 в год. Эти две группы определяли значения постоянной в лабораторных условиях с помощью атомных (иначе говоря, квантовых) часов. Самые лучшие из известных часов обладают точностью, позволяющей им ошибаться не более чем на одну секунду за несколько миллионов лет. В таких часах роль маятника играют наиболее стабильные квантовые переходы между энергетическими уровнями атомов или молекул (атомы поглощают радиацию с точно определенной частотой, которую можно измерить, и эти частоты используются как общепринятые мировые стандарты). Если бы постоянная тонкой структуры менялась со временем, это привело бы к заметному изменению частот поглощения в течение уже нескольких лет. Исследователи ничего подобного не обнаружили.
Теперь передовой край исследований в этой области снова переместился в астрофизику, и снова в центре внимания оказались квазары и межзвездные облака. Только результат получился противоположным по смыслу.
Спектроскопия и тонкая атомная структура
Вселенная - это огромная физическая лаборатория. Изучая очень отдаленные объекты, астрономы могут "оглянуться назад" во времени. Можно даже проверить значения физических постоянных на тот момент, когда Вселенной было только 25% от ее нынешнего возраста, то есть приблизительно 10 миллиардов лет назад. Астрономы полагаются на спектроскопию - измерение свойств света, испускаемого или поглощенного веществом. Если, допустим, свет от пламени пропустить через призму и поставить за ней лист бумаги, то мы увидим радугу. Если в пламя сыпать, например, соль, то к обычным цветам радуги добавятся желтоватые - так называемые эмиссионные линии. Помещая между пламенем и призмой колбу с газом, можно на этой "радуге" увидеть темные линии поглощения. Длины волн этих эмиссионных и поглотительных линий непосредственно связаны с энергетическими уровнями атомов в соли или в газе. Спектроскопия таким образом позволяет дистанционно изучать строение атомов.
C точки зрения спектроскопии тонкая атомная структура может дистанционно наблюдаться как мультиплетное расщепление энергетических уровней и спектральных линий атомов и молекул, обусловленное спин-орбитальным взаимодействием. Таким образом, если бы "альфа" действительно менялась спустя какое-то время, то "доисторические" эмиссионные и поглотительные спектры тоже бы изменились. Поэтому один из способов отслеживания любых изменений в значениях "альфы" в истории Вселенной состоит в том, чтобы получать спектры отдаленных квазаров ("маяков" необыкновенной мощности), и сравнивать длины волны некоторых характерных спектральных линий с соответствующими современными значениями. Квазары здесь используются только в качестве универсальных источников света в наиболее отдаленной части Вселенной. Межзвездные газовые облака в галактиках, расположенных между квазарами и нами на расстояниях от 6 до 11 миллиардов световых лет, поглощают часть света, испускаемого этими квазарами. В полученных спектрах таким образом возникают темные "точки минимума", которые могут быть приписаны известным элементам. Изменение постоянной тонкой структуры должно отразиться на распределении энергетических уровней в атомах, и длины волн поглотительных линий при этом тоже будут меняться. Сравнивая расстояния между точками "минимумов" с лабораторными значениями, можно вычислить "альфу" как функцию расстояния соответствующих объектов от нас, то есть как функцию возраста Вселенной.
Однако этот способ требует чрезвычайной аккуратности и очень хорошего моделирования поглотительных линий. Чрезвычайно высокие требования налагаются и на качество астрономических спектров. Они должны иметь достаточно высокие разрешения, чтобы позволить очень точно измерить крошечные изменения в спектрах. И количество захваченных фотонов должно обеспечивать статистически однозначный результат. Для этого астрономы должны обращаться к наиболее совершенным спектральным приборам на крупнейших телескопах. При этом Спектрограф ультрафиолетового и видимого диапазона Эшеля (Ultra-violet and Visible Echelle Spectrograph - UVES) и 8,2-метровый телескоп Kueyen ESO в обсерватории Paranal - вне конкуренции благодаря комбинации высокого спектрального качества и большой зеркальной собирающей свет области.
Группа астрономов во главе с Патриком Петитжином (Patrick Petitjean) из Астрофизического института Парижа (Institut d'Astrophysique de Paris) и Парижской обсерватории (Observatoire de Paris) во Франции и Раганатаном Срианандом (Raghunathan Srianand, IUCAA Pune, Индия) очень тщательно изучила гомогенную выборку 50 поглотительных систем, наблюдавшихся с помощью UVES и Kueyen по 18 отдаленным линиям визирования квазаров. Работа называлась "Исследование космологических вариаций постоянной тонкой структуры". Они делали запись спектров квазаров в течение 34 ночей, чтобы достичь наибольшего спектрального разрешения и лучшего соотношения сигнал-шум. Затем были применены некоторые автоматические процедуры и компьютерное моделирование, специально разработанные для этого проекта, чтобы выявить возможную вариацию "альфы".
В результате этого обширного изучения было установлено, что за последние 10 миллиардов лет относительные вариации "альфы" не могут превышать одной миллионной (точнее, 6x10-7. Это самое строгое ограничение на вариации "альфы" на настоящий момент из полученных путем изучения линий поглощения квазара. Что еще более важно, этот новый результат не подтверждает предыдущих данных такого рода. Интересно, что этот результат поддерживается другим - менее обширным - анализом, также проведенным на спектрометре UVES на VLT. Даже при том, что те наблюдения были ограничены только одним из самых ярких из известных квазаров - HE 0515-4414, - это независимое исследование также говорит в пользу того, что вариаций "альфы" либо нет, либо они столь малы, что не могут быть обнаружены существующими методами.
Майкл Мерфи (Michael Murphy), астроном из британского Кембриджского университета, входивший в группу, которая с помощью гавайского телескопа Keck нашла изменения в значении постоянной тонкой структуры, с доверием отнесся к новым результатам: "Данные VLT имеют более высокое качество", - говорит он. Результат Keck базировался на большем количестве облаков - 143, - однако отдельные наблюдения проводились не столь длительное время, и квазары были в среднем более слабыми, что делало спектральные линии вдвое менее ясными по сравнению с новыми измерениями на VLT.
Впрочем, несмотря на то, что эти новые результаты представляют собой важный шаг в деле оценки возможных вариаций одной из фундаментальных физических постоянных, существующий набор астрофизических данных в принципе все еще допускает сравнительно большие вариации, во всяком случае, большие, чем те огранечения, что были получены путем исследования естественного ядерного реактора в Габоне. Теперь ожидается дальнейший прогресс в этой области: надежды связаны с новым высокоточным спектрометром HARPS на 3,6-метровом телескопе ESO в обсерватории La Silla в Чили. Этот спектрометр работает на пределе современных технологий и используется главным образом для того, чтобы обнаруживать новые планеты, обращающиеся вокруг других звезд.
Используя квазары, можно исследовать и другие фундаментальные константы. В частности, измеряя длины волн молекулярного водорода в отдаленной части Вселенной, можно оценить возможные вариации отношения между массами протона и электрона. Та же самая группа астрономов на VLT теперь занята именно такой работой.
Источники:
New Quasar Studies Keep Fundamental Physical Constant Constant - ESO Press Release
Disputed 'building block' of physics is constant - New Scientist
Lab tests tenets' limits - Nature News Service
Ссылка:
Меняется ли постоянная тонкой структуры с возрастом Вселенной? - Phys.Web.Ru
Обсудить
Справка
Постоянная тонкой структуры
("альфа"), безразмерная величина, образованная из универсальных физических постоянных: e2/hc ~ 1/137, где е - элементарный электрический заряд, h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме. Постоянная тонкой структуры определяет тонкую структуру уровней энергии атома (величина тонкого расщепления пропорциональна квадрату "альфы"); с этим и связано название константы. В квантовой электродинамике "альфа" - естественный параметр, характеризующий "силу" электромагнитного взаимодействия.
"Большая советская энциклопедия", 3-е изд., М., 1977
Статьи по теме
Обвинения в "изменах" с постоянной тонкой структуры пока не сняты
Современные теории, которые призваны объединить эйнштейновскую относительность с квантовой механикой и тем самым решить одну из сверхзадач всей современной физики, привели к шокирующему предсказанию: фундаментальные константы не только могут, но даже обязаны изменяться в пространстве и времени. Однако теперь с помощью исследования спектров отдаленных квазаров удалось наложить строгие ограничения на возможные вариации во времени одной из важнейших физических констант - постоянной тонкой структуры.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
Физики собираются проститься с килограммом
Недавно в ходе точных измерений параметров монокристалла кремния с помощью рентгеновских лучей было получено новое значение для числа Авогадро. Эта работа проходила в рамках международной программы, направленной на пересмотр эталона килограмма. Килограмм решено определить в терминах атомных и фундаментальных констант, как и все остальные системные единицы. Тем более, что нынешний материальный эталон килограмма, от которого в конечном счете зависит точность измерений во всем мире, постепенно испаряется и теряет массу.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Впервые удалось измерить скорость гравитации
Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.
Постоянство гравитационной постоянной G под сомнением
Новый эксперимент швейцарских физиков, поставленный для уточнения значения гравитационной постоянной G, прибавил весомости довольно спорной теории, согласно которой на силу гравитации оказывает влияние магнитное поле Земли.
Получен первый "очарованный" пентакварк
Физики из немецкой лаборатории DESY обнаружили новый экзотический тип субатомных частиц - первый пентакварк, имеющий в своем составе "чармированный" (или "очарованный" - charm) кварк. Свидетельство существования такого "чармированного пентакварка" с массой около 3,1 ГэВ нашла международная коллаборация H1 в ходе экспериментов по электрон-протонным столкновениям на ускорителе HERA.
Физики доказали, что рукописи не горят
Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг на пару с Кипом Торном, по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены.
В центре Млечного пути найдено антивещество неизвестного происхождения
Это антивещество в принципе может образовываться за счет некоторых энергетически чрезвычайно эффективных атомных процессов, например, в ходе радиоактивного распада изотопа алюминия. Его "подпись" известна как аннигиляционная "линия 511 кэВ". Однако оказалось, что антивещества в центре Галактики слишком много для того, чтобы можно было объяснить его появление только распадом алюминия. Также ясно показано наличие множества источников антивещества - оно вовсе не концентрируется вблизи одной точки.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Обнародован "портрет" юной Вселенной, полученный зондом WMAP
Новые данные от зонда WMAP обеспечили космологов информацией, позволяющей нарисовать реальную картину раннего этапа в развитии Вселенной. Кроме того, определен возраст нашего мира с беспрецедентной точностью. Он составляет 13,7 млрд лет. Самое большое удивление ученые испытали, когда при анализе данных выяснилось, что первая генерация звезд появилась спустя всего лишь 200 млн лет после Большого взрыва.
Физики открыли "мятежную" субатомную частицу
На линейном ускорителе в Стэнфорде идентифицировали новую субатомную частицу Ds (2317). Эта частица представляет из себя необычный "сплав" "очарованного" кварка и "странного" антикварка. Ее масса оказалась существенно ниже, чем можно было бы ожидать. В качестве альтернативы рассматривается и такая возможность: частица могла бы быть в новом, до настоящего времени невиданном состоянии - ассоциация четырех кварков.
Новый кварктет: субатомные причуды в семействе пентачастиц
Удалось обнаружить никогда прежде не виданную элементарную частицу, составленную из пяти кварков и антикварков. Случаи рождения приблизительно 40 частиц нового типа были выявлены при анализе миллионов протон-протонных столкновений на сверхмощном протонном синхротроне в CERN. Это свидетельство в пользу существования ранее теоретически предсказанного целого семейства таких частиц.
Обнаружены первые "молекулы" среди мезонов
X(3872) не сообразуется ни с одной из известных схем, описывающих структуру субатомных частиц, и теоретики теперь стоят перед непростой дилеммой: либо вносить существенные поправки в привычную и хорошо себя зарекомендовавшую Стандартную модель элементарных частиц, либо признать, что мы имеем дело с неведомым типом мезона, который содержит четыре кварка - тетракварком.
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
Большой взрыв руками физиков-ядерщиков: подтверждено получение кварк-глюонной плазмы
Недавние контрольные эксперименты добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена: похоже, им действительно удалось получить кварк-глюонную плазму - то есть материю, находящуюся в принципиально новом состоянии. Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10-5 с после Большого взрыва. Когда-то предрекали, что подобные эксперименты могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться.
Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы
Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.
Разрешена одна из загадок космических лучей
Казалось бы, в одной-единственной цифре не может быть ничего выдающегося, однако это позволило не только разрешить споры о месте рождения пульсара и определить размер его нейтронной звезды (а стало быть, уточнить физическую модель этого объекта), но и, возможно, открыть одну из важнейших тайн космических лучей.
Найдено направление "космического ливня", устроившего потоп в Солнечной системе
Едва ли не самая интригующая проблема, с которой в свое время столкнулись исследователи космических лучей, - это необходимость объяснения так называемого "колена" в спектре первичного космического излучения - избытка высокоэнергичных частиц. До сих пор однозначного объяснения этот феномен не получил, но последние исследования все увереннее связывают эту аномалию не с особенностью "работы" галактических магнитных полей или физикой межзвездного пространства, а с тем, что нас, землян, просто угораздило родиться в относительной близости от мощного "ускорителя" частиц определенной энергии, изрядно "попортившего" астрофизикам картину мира.
Новости по теме
