Rekan, ada pepatah terkenal oleh Wolfgang Pauli bahwa setelah kematian dia akan mencoba untuk mencari tahu dari Setan arti dari konstanta struktur halus. Mengapa tepatnya Setan?

Mungkin karena, sobat, dalam ungkapan Feynman yang tepat, fakta keberadaan bilangan misterius ini adalah "kutukan bagi semua fisikawan". Dan memang untuk waktu yang lama (lebih dari setengah abad) makna fisik dari konstanta tak berdimensi ini tetap menjadi misteri terbesar, karena tidak ada yang tahu bagaimana angka ajaib ini muncul.

Untuk mengatasi ini, perlu diingat dua konstanta:
- Konstanta Kepler: Kp = v^2*R, J*m/kg (atau m^3/s^2) dan
- Konstanta Planck: h = m*v*R, J*s (atau kg*m^2/s).

Jika kita mengganti nilai minimum yang mungkin (modulo - maksimum) dari potensial gravitasi ke dalam konstanta Kepler, kita mendapatkan jari-jari orbit minimum yang mungkin, yang kita sebut jari-jari gravitasi (jari-jari ini berhubungan dengan medan gravitasi):

Rg \u003d Kp / c ^ 2, m.

Jika kita mengganti nilai kecepatan maksimum ke dalam konstanta Planck, kita mendapatkan jari-jari minimum lain yang mungkin, yang kita sebut jari-jari Compton (jari-jari ini berhubungan dengan medan elektromagnetik):

Rem \u003d h / (m * c), m.

Rasio jari-jari ini untuk atom hidrogen (kasus paling sederhana) memberi kita nilai konstanta struktur halus:

Rg / rem \u003d (Kp * m) / (h * c) \u003d a \u003d 1/137.036.

Rekan, hanya itu?

Tidak, tidak semuanya, temanku. Ini benar (seperti yang telah disebutkan) hanya untuk atom hidrogen, di mana massa medan sama dengan massa elektron (m = saya), dan jari-jari gravitasi disebut "jari-jari elektron klasik" (rg = re). Namun, sudah jelas dari sini bahwa segala sesuatu bermuara pada rasio dua jari-jari minimum yang mungkin (gravitasi dan elektromagnetik) dalam medan potensial atom.

Bagi banyak orang, konstanta struktur halus adalah karakteristik kuantitatif hanya dari interaksi elektromagnetik, tetapi sebenarnya ia mencirikan rasio parameter geometris medan gravitasi dan elektromagnetik.

Masalahnya di sini adalah banyak dari kita tidak dapat mengenali keberadaan gravitasi yang sebenarnya di medan potensial atom, karena, sesuai dengan apa yang disebut hukum gravitasi "universal", efek gravitasi di medan atom adalah semakin kecil.

Takut sekali lagi untuk mempertanyakan hukum "universal", kita agak "lupa" bahwa hukum Kepler bekerja secara ajaib di bidang mikro (terutama Hukum ketiganya). Dan para fisikawan yang menggunakan "hukum langit" ini di bidang atom (Max Born, Eduard Shpolsky ...), sayangnya, umumnya dapat dihitung dengan jari satu tangan. Oleh karena itu, kami terus menyebut jari-jari gravitasi atom hidrogen sebagai jari-jari klasik elektron. Dan kita dipaksa untuk mengakui ini sebagai FAKTA yang tak terbantahkan.

Rekan, apa arti dari konstanta struktur halus untuk kasus umum?

Artinya tetap sama: konstanta yang menakjubkan ini mencirikan rasio parameter geometris medan gravitasi dan elektromagnetik.

Namun, harus diingat bahwa untuk kasus umum, produk dari massa medan dan jari-jari elektromagnetik Compton adalah nilai konstan (berikut dari teori dasar efek Compton):

M*rem = saya*re/a = const

Pada saat yang sama, hasil kali massa medan dan jari-jari gravitasi bergantung pada nilai muatan listrik medan (berikut dari persamaan terkenal m*rg/q^2 = me*re/e^2 = 10^-7 kg*m/C^2) :

M*rg = saya*re*Z^2, di mana Z = q/e.

Oleh karena itu, untuk kasus umum kita memiliki: rg = rem*Z^2*a, atau rg/rem = Z^2*a.

Betapa anehnya dunia jika konstanta fisik bisa berubah! Misalnya, yang disebut konstanta struktur halus kira-kira sama dengan 1/137. Jika memiliki nilai yang berbeda, maka mungkin tidak akan ada perbedaan antara materi dan energi.

Ada hal-hal yang tidak pernah berubah. Para ilmuwan menyebutnya konstanta fisik, atau konstanta dunia. Dipercaya bahwa kecepatan cahaya $c$, konstanta gravitasi $G$, massa elektron $m_e$ dan beberapa besaran lain selalu dan di mana-mana tetap tidak berubah. Mereka membentuk dasar yang menjadi dasar teori fisika dan menentukan struktur alam semesta.

Fisikawan bekerja keras untuk mengukur konstanta dunia dengan akurasi yang semakin tinggi, tetapi belum ada yang bisa menjelaskan dengan cara apa pun mengapa nilai-nilai mereka seperti itu. Dalam sistem SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6.673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9.10938188\cdot10^( - 31) $ kg - jumlah yang sama sekali tidak terkait yang hanya memiliki satu sifat umum: jika mereka berubah setidaknya sedikit, dan keberadaan struktur atom kompleks, termasuk organisme hidup, akan dipertanyakan. Keinginan untuk membenarkan nilai-nilai konstanta menjadi salah satu pendorong pengembangan teori terpadu yang sepenuhnya menggambarkan semua fenomena yang ada. Dengan bantuannya, para ilmuwan berharap untuk menunjukkan bahwa setiap konstanta dunia hanya dapat memiliki satu nilai yang mungkin, karena mekanisme internal yang menentukan kesewenang-wenangan yang menipu dari alam.

Kandidat terbaik untuk judul teori terpadu adalah teori-M (varian dari teori string), yang dapat dianggap konsisten jika Semesta tidak memiliki empat dimensi ruang-waktu, tetapi sebelas. Oleh karena itu, konstanta yang kita amati mungkin tidak benar-benar fundamental. Konstanta sejati ada di ruang multidimensi penuh, dan kita hanya melihat "siluet" tiga dimensinya.

IKHTISAR: KONSTAN DUNIA

1. Dalam banyak persamaan fisika, ada kuantitas yang dianggap konstan di mana-mana - dalam ruang dan waktu.

2. Baru-baru ini, para ilmuwan meragukan keteguhan konstanta dunia. Membandingkan hasil pengamatan quasar dan pengukuran laboratorium, mereka sampai pada kesimpulan bahwa unsur-unsur kimia di masa lalu yang jauh menyerap cahaya secara berbeda dari yang mereka lakukan hari ini. Perbedaannya dapat dijelaskan dengan perubahan sepersejuta konstanta struktur halus.

3. Konfirmasi bahkan perubahan kecil seperti itu akan menjadi revolusi nyata dalam sains. Konstanta yang diamati dapat berubah menjadi hanya "siluet" dari konstanta sebenarnya yang ada dalam ruang-waktu multidimensi.

Sementara itu, fisikawan sampai pada kesimpulan bahwa nilai dari banyak konstanta mungkin merupakan hasil dari peristiwa acak dan interaksi antara partikel elementer pada tahap awal sejarah alam semesta. Teori string memungkinkan keberadaan dunia dalam jumlah besar ($10^(500)$) dengan serangkaian hukum dan konstanta yang konsisten sendiri ( lihat Landscape of String Theory, In the World of Science, No. 12, 2004.). Sejauh ini, para ilmuwan tidak tahu mengapa kombinasi kami dipilih. Mungkin, sebagai hasil dari penelitian lebih lanjut, jumlah dunia yang mungkin secara logis akan berkurang menjadi satu, tetapi ada kemungkinan bahwa Semesta kita hanya sebagian kecil dari multiverse, di mana berbagai solusi persamaan teori terpadu diterapkan, dan kami mengamati hanya salah satu varian dari hukum alam ( lihat Alam Semesta Paralel, Di Dunia Sains, No. 8, 2003). Dalam hal ini, untuk banyak konstanta dunia tidak ada penjelasan, kecuali bahwa mereka merupakan kombinasi langka yang memungkinkan pengembangan kesadaran. Mungkin alam semesta yang kita amati telah menjadi salah satu dari banyak oasis terisolasi yang dikelilingi oleh ruang luar tak bernyawa yang tak terhingga - tempat surealis di mana kekuatan alam benar-benar asing bagi kita mendominasi, dan partikel seperti elektron dan struktur seperti atom karbon dan molekul DNA sama sekali tidak mungkin. Mencoba untuk sampai ke sana akan berakibat fatal.

Teori string juga dikembangkan untuk menjelaskan kesewenang-wenangan yang tampak dari konstanta fisik, sehingga persamaan dasarnya hanya berisi beberapa parameter arbitrer. Namun sejauh ini tidak menjelaskan nilai konstanta yang diamati.

Penguasa yang andal

Padahal, penggunaan kata "konstan" tidak sepenuhnya sah. Konstanta kita bisa berubah dalam ruang dan waktu. Jika dimensi spasial ekstra berubah dalam ukuran, konstanta di dunia tiga dimensi kita akan berubah dengan mereka. Dan jika kita melihat cukup jauh ke luar angkasa, kita dapat melihat area di mana konstanta memiliki nilai yang berbeda. Sejak tahun 1930-an ilmuwan telah berspekulasi bahwa konstanta mungkin tidak konstan. Teori string memberikan ide ini secara teoretis masuk akal dan membuat pencarian akan ketidakkekalan menjadi semakin penting.

Masalah pertama adalah bahwa pengaturan laboratorium itu sendiri dapat sensitif terhadap perubahan konstanta. Ukuran semua atom bisa bertambah, tetapi jika penggaris yang digunakan untuk pengukuran juga menjadi lebih panjang, tidak ada yang bisa dikatakan tentang perubahan ukuran atom. Eksperimen biasanya berasumsi bahwa standar pengukuran (penggaris, timbangan, jam) tidak berubah, tetapi ini tidak dapat dicapai saat memeriksa konstanta. Peneliti harus memperhatikan konstanta tak berdimensi - hanya angka yang tidak bergantung pada sistem satuan, misalnya, rasio massa proton dengan massa elektron.

Apakah struktur internal alam semesta berubah?

Yang menarik adalah kuantitas $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, yang menggabungkan kecepatan cahaya $c$, muatan listrik elektron $e$, konstanta Planck $h$, dan disebut konstanta dielektrik vakum $\epsilon_0$. Ini disebut konstanta struktur halus. Ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1916 oleh Arnold Sommerfeld, yang merupakan salah satu orang pertama yang mencoba menerapkan mekanika kuantum pada elektromagnetisme: $\alpha$ menghubungkan karakteristik relativistik (c) dan kuantum (h) dari interaksi elektromagnetik (e) yang melibatkan partikel bermuatan di ruang kosong ($\epsilon_0$). Pengukuran telah menunjukkan bahwa nilai ini adalah 1/137.03599976 (sekitar 1/137).

Jika $\alpha $ memiliki arti yang berbeda, maka seluruh dunia akan berubah. Jika lebih kecil, kerapatan zat padat yang terdiri dari atom akan berkurang (sebanding dengan $\alpha^3 $), ikatan molekul akan putus pada suhu yang lebih rendah ($\alpha^2 $), dan jumlah elemen stabil dalam tabel periodik bisa meningkat ($1/\alpha $). Jika $\alpha $ ternyata terlalu besar, inti atom kecil tidak akan ada, karena gaya nuklir yang mengikatnya tidak akan mampu mencegah gaya tolak menolak proton. Untuk $\alpha >0.1 $ karbon tidak bisa ada.

Reaksi nuklir di bintang sangat sensitif terhadap $\alpha $. Agar fusi nuklir terjadi, gravitasi bintang harus menciptakan suhu yang cukup tinggi untuk menyebabkan inti-inti bergerak lebih dekat, meskipun mereka cenderung saling tolak. Jika $\alpha $ lebih besar dari 0,1, maka fusi tidak mungkin terjadi (kecuali, tentu saja, parameter lain, seperti rasio massa elektron dan proton, tetap sama). Perubahan $\alpha$ hanya sebesar 4% akan mempengaruhi tingkat energi di inti karbon sedemikian rupa sehingga kemunculannya di bintang akan berhenti begitu saja.

Implementasi teknik nuklir

Masalah eksperimental kedua yang lebih serius adalah bahwa mengukur perubahan konstanta membutuhkan peralatan presisi tinggi, yang harus sangat stabil. Bahkan dengan jam atom, penyimpangan konstanta struktur halus hanya dapat dilacak selama beberapa tahun. Jika $\alpha $ berubah lebih dari 4 $\cdot$ $10^(–15)$ dalam tiga tahun, jam paling akurat akan dapat mendeteksi ini. Namun, hal semacam itu belum tercatat. Tampaknya, mengapa tidak konfirmasi keteguhan? Tapi tiga tahun untuk luar angkasa adalah sekejap. Perubahan yang lambat namun signifikan dalam sejarah alam semesta mungkin luput dari perhatian.

STRUKTUR HALUS RINGAN DAN PERMANEN

Untungnya, fisikawan telah menemukan cara lain untuk memeriksanya. Pada tahun 1970-an Para ilmuwan dari Komisi Energi Atom Prancis melihat beberapa fitur dalam komposisi isotop bijih dari tambang uranium di Oklo di Gabon (Afrika Barat): mirip dengan limbah reaktor nuklir. Rupanya, sekitar 2 miliar tahun yang lalu, sebuah reaktor nuklir alami terbentuk di Oklo ( lihat Divine Reactor, In the World of Science, No. 1, 2004).

Pada tahun 1976, Alexander Shlyakhter dari Institut Fisika Nuklir Leningrad mengamati bahwa kinerja reaktor alami sangat bergantung pada energi yang tepat dari keadaan spesifik inti samarium yang menangkap neutron. Dan energi itu sendiri sangat terkait dengan nilai $\alpha $. Jadi, jika konstanta struktur halus sedikit berbeda, tidak mungkin terjadi reaksi berantai. Tapi itu benar-benar terjadi, yang berarti bahwa selama 2 miliar tahun terakhir konstanta tidak berubah lebih dari 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Fisikawan terus berdebat tentang hasil kuantitatif yang tepat karena ketidakpastian yang tak terhindarkan tentang kondisi dalam reaktor alami.)

Pada tahun 1962, P. James E. Peebles dan Robert Dicke dari Universitas Princeton adalah orang pertama yang menerapkan analisis semacam itu pada meteorit purba: kelimpahan relatif isotop yang dihasilkan dari peluruhan radioaktifnya bergantung pada $\alpha $. Batasan yang paling sensitif dikaitkan dengan peluruhan beta dalam konversi renium menjadi osmium. Menurut karya terbaru Keith Olive dari University of Minnesota dan Maxim Pospelov dari University of Victoria di British Columbia, $\alpha$ berbeda dari nilainya saat ini sebesar 2 $\cdot$ $10^ pada saat meteorit terbentuk. (– 6)$. Hasil ini kurang akurat dibandingkan data Oklo, tetapi lebih jauh ke masa lalu, ke asal tata surya 4,6 miliar tahun yang lalu.

Untuk mengeksplorasi kemungkinan perubahan selama periode waktu yang lebih lama, peneliti harus melihat ke langit. Cahaya dari objek astronomi yang jauh masuk ke teleskop kita selama miliaran tahun dan memiliki jejak hukum dan konstanta dunia saat itu baru saja memulai perjalanan dan interaksinya dengan materi.

Garis spektrum

Para astronom terlibat dalam cerita konstanta tak lama setelah penemuan quasar pada tahun 1965, yang baru saja ditemukan dan diidentifikasi sebagai sumber cahaya terang yang terletak pada jarak yang sangat jauh dari Bumi. Karena jalur cahaya dari quasar ke kita begitu panjang, ia pasti melintasi lingkungan gas galaksi muda. Gas menyerap cahaya quasar pada frekuensi tertentu, mencetak barcode garis sempit di seluruh spektrumnya (lihat kotak di bawah).

MENCARI PERUBAHAN RADIASI QUASAR

Ketika gas menyerap cahaya, elektron yang terkandung dalam atom melompat dari tingkat energi yang lebih rendah ke yang lebih tinggi. Tingkat energi ditentukan oleh seberapa kuat inti atom menahan elektron, yang bergantung pada kekuatan interaksi elektromagnetik di antara mereka dan, oleh karena itu, pada konstanta struktur halus. Jika berbeda pada saat cahaya diserap, atau di beberapa wilayah alam semesta tertentu di mana itu terjadi, maka energi yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron ke tingkat yang baru, dan panjang gelombang transisi yang diamati dalam spektrum, seharusnya berbeda dari yang diamati hari ini dalam eksperimen laboratorium. Sifat perubahan panjang gelombang sangat tergantung pada distribusi elektron dalam orbit atom. Untuk perubahan tertentu dalam $\alpha$, beberapa panjang gelombang berkurang, sementara yang lain meningkat. Pola efek yang kompleks sulit dikacaukan dengan kesalahan kalibrasi data, yang membuat eksperimen semacam itu sangat berguna.

Ketika kami mulai bekerja tujuh tahun lalu, kami menghadapi dua masalah. Pertama, panjang gelombang dari banyak garis spektral belum diukur dengan akurasi yang memadai. Anehnya, para ilmuwan tahu lebih banyak tentang spektrum quasar yang jaraknya miliaran tahun cahaya daripada spektrum sampel terestrial. Kami membutuhkan pengukuran laboratorium presisi tinggi untuk membandingkan spektrum quasar dengan mereka, dan kami meyakinkan para peneliti untuk melakukan pengukuran yang sesuai. Mereka dilakukan oleh Anne Thorne dan Juliet Pickering dari Imperial College London, dan kemudian oleh tim yang dipimpin oleh Sveneric Johansson dari Observatorium Lund di Swedia, dan oleh Ulf Griesmann dan Rainer Kling (Rainer Kling) dari Institut Nasional Standar dan Teknologi di Maryland.

Masalah kedua adalah bahwa pengamat sebelumnya menggunakan apa yang disebut doublet basa, pasangan garis absorpsi yang muncul dalam gas atom karbon atau silikon. Mereka membandingkan interval antara garis-garis ini dalam spektrum quasar dengan pengukuran laboratorium. Namun, metode ini tidak mengizinkan satu fenomena khusus untuk dieksploitasi: variasi $\alpha $ menyebabkan tidak hanya perubahan interval antara tingkat energi atom relatif terhadap tingkat energi terendah (keadaan dasar), tetapi juga perubahan posisi dari ground state itu sendiri. Faktanya, efek kedua bahkan lebih kuat dari yang pertama. Akibatnya, akurasi pengamatan hanya 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

Pada tahun 1999, salah satu penulis makalah (Web) dan Victor V. Flambaum dari Universitas New South Wales di Australia mengembangkan teknik untuk memperhitungkan kedua efek tersebut. Hasilnya, sensitivitasnya meningkat 10 kali lipat. Selain itu, menjadi mungkin untuk membandingkan berbagai jenis atom (misalnya, magnesium dan besi) dan melakukan pemeriksaan silang tambahan. Perhitungan rumit harus dilakukan untuk menentukan dengan tepat bagaimana panjang gelombang yang diamati bervariasi dalam berbagai jenis atom. Berbekal teleskop dan sensor tercanggih, kami memutuskan untuk menguji kegigihan $\alpha $ dengan akurasi yang belum pernah ada sebelumnya menggunakan metode banyak-ganda yang baru.

Revisi tampilan

Ketika kami memulai eksperimen, kami hanya ingin menetapkan dengan akurasi yang lebih besar bahwa nilai konstanta struktur halus di zaman kuno sama dengan sekarang. Yang mengejutkan kami, hasil yang diperoleh pada tahun 1999 menunjukkan perbedaan kecil tetapi signifikan secara statistik, yang kemudian dikonfirmasi. Menggunakan data dari 128 jalur penyerapan quasar, kami mencatat peningkatan $\alpha$ sebesar 6 $\cdot$ $10^(–6)$ selama 6–12 miliar tahun terakhir.

Hasil pengukuran konstanta struktur halus tidak memungkinkan kita untuk menarik kesimpulan akhir. Beberapa dari mereka menunjukkan bahwa dulunya lebih kecil dari sekarang, dan beberapa tidak. Mungkin telah berubah di masa lalu, tetapi sekarang telah menjadi konstan. (Kotak mewakili rentang data.)

Klaim yang berani membutuhkan bukti yang kuat, jadi langkah pertama kami adalah meninjau dengan cermat metode pengumpulan dan analisis data kami. Kesalahan pengukuran dapat dibagi menjadi dua jenis: sistematis dan acak. Dengan ketidakakuratan acak, semuanya sederhana. Dalam setiap pengukuran individu, mereka mengambil nilai yang berbeda, yang, dengan sejumlah besar pengukuran, dirata-ratakan dan cenderung nol. Kesalahan sistematis yang tidak dirata-ratakan lebih sulit untuk ditangani. Dalam astronomi, ketidakpastian semacam ini ditemui di setiap kesempatan. Dalam eksperimen laboratorium, instrumen dapat disetel untuk meminimalkan kesalahan, tetapi para astronom tidak dapat "menyetel" alam semesta, dan mereka harus mengakui bahwa semua metode pengumpulan data mereka mengandung bias bawaan. Misalnya, distribusi spasial galaksi yang diamati sangat bias terhadap galaksi terang karena lebih mudah diamati. Mengidentifikasi dan menetralisir pergeseran tersebut merupakan tantangan konstan bagi pengamat.

Pertama, kami menarik perhatian pada kemungkinan distorsi skala panjang gelombang, relatif terhadap garis spektral quasar yang diukur. Itu bisa muncul, misalnya, selama pemrosesan "mentah" hasil pengamatan quasar menjadi spektrum yang dikalibrasi. Meskipun peregangan linier sederhana atau penyusutan skala panjang gelombang tidak dapat secara akurat meniru perubahan $\alpha$, bahkan kemiripan perkiraan akan cukup untuk menjelaskan hasil. Secara bertahap, kami menghilangkan kesalahan sederhana yang terkait dengan distorsi dengan mengganti data kalibrasi alih-alih hasil pengamatan quasar.

Selama lebih dari dua tahun, kami telah menyelidiki berbagai penyebab bias untuk memastikan bahwa dampaknya dapat diabaikan. Kami hanya menemukan satu sumber potensial dari bug serius. Kita berbicara tentang garis penyerapan magnesium. Masing-masing dari tiga isotop stabilnya menyerap cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda, yang sangat dekat satu sama lain dan terlihat dalam spektrum quasar sebagai satu garis. Berdasarkan pengukuran laboratorium dari kelimpahan relatif isotop, peneliti menilai kontribusi masing-masing isotop. Distribusi mereka di alam semesta muda bisa sangat berbeda dari hari ini jika bintang-bintang yang memancarkan magnesium rata-rata lebih berat daripada rekan-rekan mereka hari ini. Perbedaan seperti itu bisa meniru perubahan dalam $\alpha$ Tapi hasil penelitian yang diterbitkan tahun ini menunjukkan bahwa fakta yang diamati tidak begitu mudah dijelaskan. Yeshe Fenner dan Brad K. Gibson dari Swinburne University of Technology di Australia dan Michael T. Murphy dari University of Cambridge menyimpulkan bahwa kelimpahan isotop yang diperlukan untuk meniru perubahan $\alpha$ juga akan menyebabkan sintesis nitrogen berlebih di awal Alam semesta, yang sama sekali tidak konsisten dengan pengamatan. Jadi kita harus hidup dengan kemungkinan bahwa $\alpha$ memang berubah.

KADANG BERUBAH, KADANG TIDAK

Menurut hipotesis yang diajukan oleh penulis artikel, dalam beberapa periode sejarah kosmik, konstanta struktur halus tetap tidak berubah, sementara di periode lain meningkat. Data eksperimen (lihat inset sebelumnya) konsisten dengan asumsi ini.

Komunitas ilmiah segera menghargai pentingnya hasil kami. Para peneliti spektrum quasar di seluruh dunia segera melakukan pengukuran. Pada tahun 2003, tim peneliti Sergei Levshakov (Sergei Levshakov) dari Institut Fisika dan Teknologi St. Petersburg. Ioffe dan Ralf Quast dari Universitas Hamburg telah mempelajari tiga sistem quasar baru. Tahun lalu, Hum Chand dan Raghunathan Srianand dari Pusat Antar Universitas untuk Astronomi dan Astrofisika di India, Patrick Petitjean dari Institut Astrofisika dan Bastien Aracil dari LERMA di Paris menganalisis 23 kasus lagi. Tidak ada grup yang menemukan perubahan pada $\alpha$. Chand berpendapat bahwa setiap perubahan antara 6 dan 10 miliar tahun yang lalu pasti kurang dari sepersejuta.

Mengapa metodologi serupa yang digunakan untuk menganalisis data sumber yang berbeda menyebabkan perbedaan yang begitu drastis? Jawabannya belum diketahui. Hasil yang diperoleh oleh para peneliti ini memiliki kualitas yang sangat baik, tetapi ukuran sampel mereka dan usia radiasi yang dianalisis secara signifikan lebih kecil daripada kita. Selain itu, Chand menggunakan versi sederhana dari metode multimultiplet dan tidak sepenuhnya mengevaluasi semua kesalahan eksperimental dan sistematis.

Ahli astrofisika terkenal John Bahcall dari Princeton telah mengkritik metode multi-multiplet itu sendiri, tetapi masalah yang dia tunjukkan berada dalam kategori kesalahan acak, yang diminimalkan ketika sampel besar digunakan. Bacall, dan Jeffrey Newman dari National Laboratory. Lawrence di Berkeley menganggap garis emisi, bukan garis absorpsi. Pendekatan mereka kurang tepat, meskipun mungkin terbukti berguna di masa depan.

Reformasi legislatif

Jika hasil kami benar, konsekuensinya akan sangat besar. Sampai saat ini, semua upaya untuk memperkirakan apa yang akan terjadi pada Semesta jika konstanta struktur halus berubah tidak memuaskan. Mereka tidak melangkah lebih jauh dari mempertimbangkan $\alpha$ sebagai variabel dalam rumus yang sama yang diperoleh dengan asumsi bahwa itu konstan. Setuju, pendekatan yang sangat meragukan. Jika $\alpha $ berubah, maka energi dan momentum dalam efek yang terkait dengannya harus dilestarikan, yang seharusnya memengaruhi medan gravitasi di Semesta. Pada tahun 1982, Jacob D. Bekenstein dari Universitas Ibrani Yerusalem pertama kali menggeneralisasi hukum elektromagnetisme untuk kasus konstanta non-konstan. Dalam teorinya, $\alpha $ dianggap sebagai komponen alam yang dinamis, yaitu seperti medan skalar. Empat tahun lalu, salah satu dari kami (Barrow), bersama dengan Håvard Sandvik dan João Magueijo dari Imperial College London, memperluas teori Bekenstein untuk memasukkan gravitasi.

Prediksi dari teori umum sangat sederhana. Karena elektromagnetisme pada skala kosmik jauh lebih lemah daripada gravitasi, perubahan $\alpha$ beberapa sepersejuta tidak memiliki efek nyata pada perluasan Semesta. Tetapi ekspansi secara signifikan mempengaruhi $\alpha $ karena perbedaan antara energi medan listrik dan magnet. Selama puluhan ribu tahun pertama sejarah kosmik, radiasi mendominasi partikel bermuatan dan menjaga keseimbangan antara medan listrik dan magnet. Saat alam semesta mengembang, radiasi menjadi langka, dan materi menjadi elemen dominan kosmos. Energi listrik dan magnet ternyata tidak seimbang, dan $\alpha $ mulai meningkat sebanding dengan logaritma waktu. Sekitar 6 miliar tahun yang lalu, energi gelap mulai mendominasi, mempercepat ekspansi, yang mempersulit semua interaksi fisik untuk menyebar di ruang bebas. Akibatnya, $\alpha$ menjadi hampir konstan lagi.

Gambar yang dijelaskan konsisten dengan pengamatan kami. Garis spektrum quasar mencirikan periode sejarah kosmik ketika materi mendominasi dan $\alpha$ meningkat. Hasil pengukuran dan studi laboratorium di Oklo sesuai dengan periode ketika energi gelap mendominasi dan $\alpha$ konstan. Yang menarik adalah studi lebih lanjut tentang pengaruh perubahan $\alpha$ pada elemen radioaktif di meteorit, karena ini memungkinkan kita untuk mempelajari transisi antara dua periode yang disebutkan.

Alfa hanyalah permulaan

Jika konstanta struktur halus berubah, maka objek material harus jatuh secara berbeda. Pada suatu waktu, Galileo merumuskan prinsip ekivalensi lemah, yang menyatakan bahwa benda-benda dalam ruang hampa jatuh pada kecepatan yang sama, terlepas dari apa bahannya. Tetapi perubahan $\alpha$ harus menghasilkan gaya yang bekerja pada semua partikel bermuatan. Semakin banyak proton yang dikandung atom dalam nukleusnya, semakin kuat rasanya. Jika kesimpulan yang ditarik dari analisis hasil pengamatan quasar benar, maka percepatan jatuh bebas benda yang terbuat dari bahan yang berbeda akan berbeda sekitar 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Ini 100 kali lebih kecil dari apa yang dapat diukur di lab, tetapi cukup besar untuk menunjukkan perbedaan dalam eksperimen seperti STEP (Menguji Prinsip Kesetaraan di Luar Angkasa).

Dalam studi $\alpha $ sebelumnya, para ilmuwan mengabaikan ketidakhomogenan Alam Semesta. Seperti semua galaksi, Bima Sakti kita sekitar satu juta kali lebih padat daripada rata-rata luar angkasa, sehingga tidak mengembang bersama alam semesta. Pada tahun 2003, Barrow dan David F. Mota dari Cambridge menghitung bahwa $\alpha$ dapat berperilaku berbeda di dalam galaksi daripada di wilayah ruang yang lebih kosong. Segera setelah galaksi muda mengembun dan, saat bersantai, mencapai keseimbangan gravitasi, $\alpha$ menjadi konstan di dalam galaksi, tetapi terus berubah di luar. Jadi, eksperimen di Bumi yang menguji kegigihan $\alpha$ mengalami pemilihan kondisi yang bias. Kami belum mengetahui bagaimana hal ini mempengaruhi verifikasi prinsip kesetaraan yang lemah. Tidak ada variasi spasial $\alpha$ yang telah diamati. Mengandalkan homogenitas CMB, Barrow baru-baru ini menunjukkan bahwa $\alpha $ tidak berbeda lebih dari 1 $\cdot$ $10^(–8)$ antara wilayah bola angkasa yang berjarak $10^o$.

Tinggal kita menunggu munculnya data baru dan studi baru yang pada akhirnya akan mengkonfirmasi atau membantah hipotesis tentang perubahan $\alpha $. Para peneliti telah memfokuskan pada konstanta ini, hanya karena efek karena variasinya lebih mudah dilihat. Tetapi jika $\alpha$ benar-benar bisa berubah, maka konstanta lain juga harus berubah. Dalam hal ini, kita harus mengakui bahwa mekanisme internal alam jauh lebih rumit daripada yang kita duga.

TENTANG PENULIS:
John Barrow (John D. Barrow), John Web (John K. Webb) terlibat dalam studi konstanta fisik pada tahun 1996 selama cuti bersama di University of Sussex di Inggris. Kemudian Barrow mengeksplorasi kemungkinan teoretis baru untuk mengubah konstanta, dan Web terlibat dalam pengamatan quasar. Kedua penulis menulis buku non-fiksi dan sering muncul di program televisi.

Ada konfirmasi baru bahwa salah satu konstanta terpenting fisika modern berubah seiring waktu - dan di berbagai bagian Semesta dengan cara yang berbeda.

http://www.popmech.ru/images/upload/article/const_1_1283782005_full.jpg

Quasar adalah sumber titik radiasi yang ditandai dengan intensitas dan variabilitas yang sangat tinggi. Menurut teori modern, quasar adalah pusat aktif galaksi muda dengan lubang hitam yang terletak di pusatnya, yang menyerap materi dengan selera khusus.Mengapa Alam Semesta seperti itu? Mengapa rasio numerik konstanta tak berdimensi persis seperti yang kita ketahui? Mengapa ruang memiliki tiga dimensi yang diperluas? Mengapa ada interaksi yang sangat mendasar, dan bukan, katakanlah, lima? Mengapa, akhirnya, segala sesuatu di dalamnya begitu seimbang dan tepat "dipasang" satu di bawah yang lain? Hari ini populer untuk percaya bahwa jika ada sesuatu yang berbeda, jika salah satu konstanta dasar berbeda, kita tidak bisa mengajukan pertanyaan ini. Pendekatan ini disebut prinsip antropik: jika konstanta terkait secara berbeda, partikel dasar yang stabil tidak dapat terbentuk, jika ruang memiliki lebih banyak dimensi, planet tidak dapat memperoleh orbit yang stabil, dan seterusnya. Dengan kata lain, Semesta tidak mungkin terbentuk - dan terlebih lagi, organisme cerdas seperti Anda dan saya tidak mungkin berkembang. (Lebih lanjut tentang prinsip antropik dijelaskan dalam artikel "Alam Semesta Kemanusiaan.") Secara umum, kami baru saja muncul di tempat yang tepat - di satu-satunya tempat kami dapat muncul. Dan mungkin pada waktu yang tepat, sebagaimana dibuktikan oleh studi profil tinggi baru-baru ini tentang salah satu konstanta fisik mendasar. Kita berbicara tentang konstanta struktur halus, kuantitas tak berdimensi yang tidak dapat diturunkan dari rumus apa pun. Ini ditetapkan secara empiris sebagai rasio kecepatan rotasi elektron (terletak pada jari-jari Bohr) dengan kecepatan cahaya, dan sama dengan 1/137,036. Ini mencirikan kekuatan interaksi muatan listrik dengan foton. Terlepas dari kenyataan bahwa itu disebut konstan, fisikawan telah berdebat selama beberapa dekade tentang seberapa konstan konstanta ini sebenarnya. Nilainya yang agak "dikoreksi" untuk kasus yang berbeda dapat memecahkan masalah tertentu dalam kosmologi dan astrofisika modern. Dan dengan munculnya Teori String di tempat kejadian, banyak ilmuwan umumnya cenderung berpikir bahwa konstanta lain mungkin tidak begitu konstan. Perubahan dalam konstanta struktur halus secara tidak langsung dapat menunjukkan keberadaan nyata dari dimensi lipat tambahan Semesta, yang mutlak diperlukan dalam Teori String. Semua ini mendorong pencarian bukti - atau sanggahan - bahwa konstanta struktur halus mungkin berbeda di titik lain dalam ruang dan (atau) waktu. Untungnya, untuk mengevaluasinya, Anda dapat menggunakan alat yang dapat diakses seperti spektroskopi (konstanta struktur halus baru saja diperkenalkan untuk menafsirkan pengamatan spektroskopi), dan untuk "melihat ke masa lalu", cukup dengan melihat bintang yang jauh. . Pada awalnya, eksperimen tampaknya menyangkal kemungkinan perubahan konstanta ini, tetapi ketika instrumen menjadi lebih canggih, dimungkinkan untuk memperkirakan nilainya pada jarak yang lebih jauh dan dengan akurasi yang lebih besar, bukti yang lebih menarik mulai muncul. Pada tahun 1999, misalnya, astronom Australia yang dipimpin oleh John Webb (John Webb) menganalisis spektrum 128 quasar jauh dan menunjukkan bahwa beberapa parameternya dapat dijelaskan dengan peningkatan bertahap dalam konstanta struktur halus selama 10-12 miliar tahun terakhir. . Namun, hasil ini sangat kontroversial. Katakanlah sebuah karya yang berasal dari tahun 2004, di sisi lain, tidak menunjukkan perubahan yang nyata. Dan beberapa hari yang lalu, John Webb yang sama membuat laporan sensasional baru - karya barunya disebut oleh beberapa ahli sebagai "penemuan tahun ini" dalam fisika. Sebelumnya, pada akhir 1990-an, Webb dan rekan bekerja dengan Observatorium Keck di Hawaii dan mengamati quasar di belahan langit utara. Kemudian mereka sampai pada kesimpulan bahwa 10 miliar tahun yang lalu, konstanta struktur halus berkurang sekitar 0,0001 dan telah "berkembang" sedikit sejak saat itu. Sekarang, setelah bekerja dengan teleskop VLT dari Observatorium ESO di Chili dan mengamati 153 quasar di belahan bumi selatan, mereka mendapatkan hasil yang sama, tetapi ... dengan tanda yang berlawanan. Konstanta struktur halus "ke selatan" adalah 0,0001 lebih tinggi 10 miliar tahun yang lalu dan telah "menurun" sejak saat itu. Perbedaan ini, yang disebut "dipol Australia" oleh para peneliti, sangat signifikan secara statistik. Dan yang paling penting, mereka dapat bersaksi tentang asimetri fundamental alam semesta kita, yang dapat diamati baik dalam ruang maupun waktu. Kembali ke prinsip antropik yang kita mulai, kita dapat mengatakan bahwa kita dilahirkan tidak hanya di tempat yang ideal, tetapi juga pada waktu yang ideal.

Menurut Dunia Fisika

Konstanta fundamental dunia mikro bernama: 1/137 diperkenalkan ke fisika pada 1920-an oleh Arnold Sommerfeld untuk menggambarkan sublevel energi yang ditemukan secara eksperimental dalam spektrum emisi atom. Sejak itu, banyak manifestasi lain dari rasio konstan yang sama telah terungkap dalam berbagai fenomena yang terkait dengan interaksi partikel elementer. Fisikawan terkemuka pada waktu itu secara bertahap menyadari pentingnya angka ini, baik di dunia partikel elementer maupun secara umum - dalam struktur alam semesta kita. Dari sudut pandang ini, cukup untuk mengatakan bahwa semua sifat dan karakteristik utama objek dunia mikro: ukuran orbit elektron dalam atom, energi ikat (baik antara partikel elementer dan atom), dan dengan demikian, semua sifat fisik dan kimia sifat materi, ditentukan oleh nilai konstanta ini. Di masa depan, dengan menggunakan konstanta bernama, dimungkinkan untuk mengembangkan teori formal yang sangat efektif - elektrodinamika kuantum modern (QED), yang menggambarkan interaksi elektromagnetik kuantum dengan akurasi yang fantastis.

Dari uraian di atas, seseorang dapat menilai pentingnya tugas memperjelas makna fisik dan mekanisme kausal munculnya konstanta ini, yang telah menjadi pertanyaan terbuka dalam fisika sejak ditemukan. Dalam bahasa para ahli teori, solusi dari masalah ini berarti: memberi nama konsep awal kemunculan konstanta bernama, yang dengannya, dengan perhitungan berturut-turut, seseorang dapat mencapai nilai yang ditetapkan secara eksperimental. Pentingnya pertanyaan yang diajukan dapat dinilai dari pernyataan bercanda dari fisikawan terkenal dunia, Wolfgang Pauli: "Ketika saya mati, hal pertama yang saya pertimbangkan untuk bertanya kepada iblis adalah apa arti dari konstanta struktur halus?" Nah, Richard Feynman menganggap fakta keberadaan angka misterius ini sebagai "kutukan bagi semua fisikawan" dan menyarankan ahli teori yang baik untuk "meretasnya di dinding dan selalu memikirkannya"!

Pertanyaan yang disajikan telah memperoleh signifikansi seperti itu, pertama-tama, karena konstanta bernama berhubungan langsung dengan masalah memahami esensi fisik partikel elementer, karena itu tidak muncul secara terpisah dari mereka, tetapi sebagai properti mendalam mereka. Oleh karena itu, banyak fisikawan telah berusaha keras selama bertahun-tahun untuk memecahkan masalah terbesar ini, dengan menggunakan pendekatan dan metode yang berbeda. Namun sejauh ini semua upaya mereka tidak berhasil.

Apa yang diusulkan oleh penulis? Dia mampu menemukan bahwa solusi untuk "misteri abad ke-20" sebenarnya ditemukan di buku pelajaran kita dan dalam rumus terkenal yang berkaitan dengan gelombang, jika hanya dihitung dengan cermat! Ini berarti bahwa adalah konstanta gelombang klasik. Tetapi kami harus memperingatkan Anda bahwa penjelasan teka-teki yang paling sederhana dapat membingungkan jika pada awalnya kita tidak cenderung mendengarkan apa yang ditawarkan kepada kita. Seperti yang telah ditunjukkan oleh pengalaman, solusi yang disajikan untuk masalah ini sangat sulit untuk dipahami oleh banyak spesialis, meskipun tidak ada yang menyangkal kebenaran hasilnya!

Apa alasan kesulitan ini? Sayangnya, para ahli teori modern terkemuka, yang terlalu terbawa oleh teori matematika formal (yang awalnya dianggap sebagai opsi kompromi sementara), telah melupakan keberadaan dilema mendasar yang belum terselesaikan "partikel - gelombang" dalam fisika. Akibatnya, sulit untuk bertemu fisikawan yang tidak akan terkejut dengan pendekatan penulis - untuk mewakili partikel sebagai gelombang berdiri lokal (walaupun secara resmi ini cukup dapat diterima, karena dilema yang sama yang belum terselesaikan). Dan ini terlepas dari fakta bahwa otoritas ilmu fisika yang tak terbantahkan telah lama sampai pada kesimpulan yang sama: Einstein, Schrödinger, Heisenberg, dan lainnya di bawah tekanan argumen yang berbobot.

Karya yang disajikan dan hasil yang diperoleh, menurut pendapat penulis, dapat menjadi indikasi serius tentang kebenaran keyakinan para tokoh fisika. Tetapi kesimpulan ini pernah dengan keras kepala diabaikan oleh mayoritas suara rekan-rekan (karena tidak mungkin untuk mendapatkan hasil yang diperlukan untuk mengkonfirmasi kebenaran kesimpulan ini). Akibatnya, penelitian di bidang fisika teoretis ini berjalan ke arah yang tidak efisien. Solusi yang diusulkan mungkin menjadi kunci untuk mengungkapkan esensi fisik partikel elementer dan dengan demikian membuka jalan yang jelas untuk deskripsi dunia mikro, alternatif untuk teori fenomenologis formal modern. Namun, kata yang menentukan di sini adalah milik para ahli yang berpikiran mendalam - para ahli teori, yang, kami harap, pasti akan ditemukan dan memberikan penilaian objektif dari karya yang disajikan.

Telah ditemukan bahwa konstanta struktur halus, yang dilambangkan dengan huruf Yunani , telah berubah dalam ruang dan waktu sejak Big Bang. Penemuan ini telah disebut "berita tahun ini dalam fisika" oleh para spesialis yang tidak berpartisipasi dalam pekerjaan itu. Jika fakta ini benar, maka ini berarti pelanggaran terhadap prinsip dasar teori relativitas umum Einstein.

Pada saat yang sama, sifat asimetri konstanta struktur halus dapat membantu para ilmuwan menciptakan satu teori fisika terpadu yang menggambarkan empat interaksi mendasar (gravitasi, elektromagnetisme, dan gaya nuklir kuat dan lemah), serta lebih memahami sifatnya. dari alam semesta kita.

Konstanta struktur halus tidak berdimensi, kira-kira sama dengan 1/37. Ini pertama kali dijelaskan pada tahun 1916 oleh fisikawan Jerman Arnold Sommerfeld. Dia menafsirkannya sebagai rasio kecepatan elektron dalam orbit melingkar pertama dalam model atom Bohr (ini adalah model atom paling sederhana, di mana elektron bergerak mengelilingi inti bermuatan positif, seperti planet mengelilingi Matahari) dengan kecepatan cahaya. Dalam elektrodinamika kuantum, konstanta struktur halus mencirikan kekuatan interaksi antara muatan listrik dan foton. Nilainya tidak dapat diprediksi secara teoritis dan diperkenalkan berdasarkan data eksperimen. Konstanta struktur halus adalah salah satu dari dua puluh "parameter luar" aneh dari Model Standar dalam fisika partikel, dan ada beberapa indikasi teoretis bahwa itu mungkin berubah.

John Webb, Victor Flambaum dan rekan mereka di University of New South Wales telah mencari tanda-tanda perubahan sejak tahun 1998, mempelajari radiasi quasar jauh. Radiasi ini melakukan perjalanan selama miliaran tahun ke Bumi melalui awan gas. Sebagian darinya diserap pada panjang gelombang tertentu, yang darinya seseorang dapat menarik kesimpulan tentang komposisi kimia awan dan dari sini sudah ditentukan apa konstanta struktur halusnya miliaran tahun yang lalu. Menurut peneliti Australia yang mempelajari benda-benda di belahan bumi utara, nilai ini dulunya 1/100.000 lebih kecil dari sekarang. Hasil ini, yang diperoleh beberapa tahun lalu, tidak diterima oleh semua fisikawan.

Dengan menganalisis 153 quasar di langit belahan bumi selatan dengan VLT di Chili, para ilmuwan menemukan bahwa konstanta struktur halus miliaran tahun yang lalu adalah 1/100.000 lebih besar daripada sekarang.

Asimetri ini, yang disebut "dipol Australia", ditentukan dengan akurasi 4 sigma, yang berarti bahwa hanya ada satu peluang dalam lima belas ribu bahwa hasil ini salah. Variasi spasial adalah bukti bahwa interaksi elektromagnetik melanggar prinsip ekivalen Einstein, yang menyatakan bahwa konstanta struktur halus harus sama, di mana pun dan kapan pun diukur.

Wim Ubachs, seorang ahli spektroskopi dari Universitas Amsterdam (Belanda), menyebut karya fisikawan Australia sebagai "berita tahun ini dalam fisika" dan menambahkan bahwa itu memberikan "pelintiran baru pada masalah."

Konstanta struktur halus dan parameter fundamental lainnya ditentukan oleh massa dan energi partikel elementer, termasuk yang menyusun materi gelap. Jika konstanta ini berubah, rasio kelimpahan materi normal, materi gelap, dan energi gelap dapat berbeda di berbagai bagian alam semesta. Ini dapat dilihat sebagai anisotropi tambahan di latar belakang gelombang mikro kosmik, atau asimetri dalam tingkat ekspansi Semesta.

Aspek yang paling menarik dari penemuan ini terkait dengan apa yang disebut "prinsip antropik", yang berbunyi sebagai berikut: "Kami melihat Semesta apa adanya, karena hanya di Semesta seperti itu seorang pengamat, seseorang, dapat muncul." Artinya, mengikuti prinsip antropik bahwa konstanta fundamental memiliki nilai yang memungkinkan materi dan energi berada dalam bentuk bintang, planet, dan tubuh kita sendiri. Jika berubah seiring waktu dan ruang, ada kemungkinan bahwa kita berutang keberadaan kita pada tempat dan waktu khusus di alam semesta.