О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Пропавшие за Крым | "Экстремисты" | Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина
Читайте нас:

статья Обвинения в "изменах" с постоянной тонкой структуры пока не сняты

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 03.04.2004
Реклама
справка 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

Исследования спектров квазаров и возможные вариации постоянной тонкой структуры

Зависимость изменения постоянной тонкой структуры от красного смещения. График с сайта ESO

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.

Атомные часы обладают точностью, позволяющей им ошибаться не более чем на одну секунду за несколько миллионов лет. Фото с сайта www.nature.com 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.

Квазар с сайта home.t-online.de/home/320010869634-0001/quasar.htm 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

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 03.04.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама



Выбор читателей