Colege, există o zicală celebră a lui Wolfgang Pauli că după moarte va încerca să afle de la Satana semnificația constantei structurii fine. De ce exact Satana?

Poate pentru că, prietene, în expresia potrivită a lui Feynman, însuși faptul existenței acestui număr misterios este „un blestem pentru toți fizicienii”. Într-adevăr, pentru o lungă perioadă de timp (mai mult de jumătate de secol), semnificația fizică a acestei constante adimensionale a rămas cel mai mare mister, pentru că nimeni nu știa cum a apărut acest număr magic.

Pentru a face față acestui lucru, este necesar să ne amintim două constante:
- constanta lui Kepler: Kp = v^2*R, J*m/kg (sau m^3/s^2) și
- Constanta lui Planck: h = m*v*R, J*s (sau kg*m^2/s).

Dacă înlocuim valoarea minimă posibilă (modulo - maximă) a potențialului gravitațional în constanta Kepler, obținem raza orbitală minimă posibilă, pe care o numim raza gravitațională (această rază este legată de câmpul gravitațional):

Rg \u003d Kp / c ^ 2, m.

Dacă înlocuim valoarea vitezei maxime în constanta lui Planck, obținem o altă rază minimă posibilă, pe care o numim raza Compton (această rază este legată de câmpul electromagnetic):

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

Raportul acestor raze pentru atomul de hidrogen (cazul cel mai simplu) ne dă valoarea constantei structurii fine:

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

Colege, asta e tot?

Nu, nu totul, prietene. Acest lucru este valabil (după cum am menționat deja) numai pentru atomul de hidrogen, unde masa câmpului este egală cu masa electronului (m = me), iar raza gravitațională este așa-numita „rază clasică a electronului” (rg = re). Totuși, de aici este deja clar că totul se reduce la raportul dintre cele două raze minime posibile (gravitaționale și electromagnetice) în câmpul potențial al atomului.

Pentru mulți, constanta structurii fine a fost o caracteristică cantitativă doar a interacțiunii electromagnetice, dar de fapt caracterizează raportul dintre parametrii geometrici ai câmpurilor gravitaționale și electromagnetice.

Problema aici este că mulți dintre noi nu putem recunoaște prezența reală a gravitației în câmpul potențial al unui atom, deoarece, în conformitate cu așa-numita lege „universală” a gravitației, efectul gravitației în câmpul unui atom este dispărut de mic.

Temându-ne încă o dată să punem la îndoială legea „universală”, oarecum „uităm” că legile lui Kepler funcționează miraculos în microcâmp (în special a treia sa Lege). Și acei fizicieni care au folosit aceste „legi ale cerului” în domeniul atomului (Max Born, Eduard Shpolsky...), din păcate, pot fi numărați în general pe degetele unei mâini. Prin urmare, continuăm să numim raza gravitațională a atomului de hidrogen raza clasică a electronului. Și suntem forțați să recunoaștem acest lucru ca fiind un FAP incontestabil.

Colege, ce semnificație are constanta de structură fină pentru cazul general?

Sensul rămâne același: această constantă uimitoare caracterizează raportul dintre parametrii geometrici ai câmpurilor gravitaționale și electromagnetice.

Cu toate acestea, trebuie amintit că pentru cazul general, produsul dintre masa câmpului și raza electromagnetică Compton este o valoare constantă (reduce din teoria elementară a efectului Compton):

M*rem = me*re/a = const

Totodată, produsul masei câmpului și razei gravitaționale depinde de valoarea sarcinii electrice a câmpului (reduce din binecunoscuta ecuație m*rg/q^2 = me*re/e^2 = 10^-7 kg*m/C^2):

M*rg = me*re*Z^2, unde Z = q/e.

Prin urmare, pentru cazul general avem: rg = rem*Z^2*a, sau rg/rem = Z^2*a.

Cât de neînchipuit de ciudată ar fi lumea dacă constantele fizice s-ar putea schimba! De exemplu, așa-numita constantă de structură fină este aproximativ egală cu 1/137. Dacă ar avea o valoare diferită, atunci poate că nu ar exista nicio diferență între materie și energie.

Sunt lucruri care nu se schimbă niciodată. Oamenii de știință le numesc constante fizice sau constante mondiale. Se crede că viteza luminii $c$, constanta gravitațională $G$, masa electronilor $m_e$ și alte cantități rămân mereu și pretutindeni neschimbate. Ele formează baza pe care se bazează teoriile fizice și determină structura universului.

Fizicienii lucrează din greu pentru a măsura constantele lumii cu o acuratețe din ce în ce mai mare, dar nimeni nu a reușit încă să explice în vreun fel de ce valorile lor sunt așa cum sunt. În sistemul SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( - 31) $ kg - cantități complet neînrudite, care au o singură proprietate comună: dacă se schimbă măcar puțin, iar existența unor structuri atomice complexe, inclusiv a organismelor vii, va fi pusă sub semnul întrebării. Dorința de a justifica valorile constantelor a devenit unul dintre stimulentele pentru dezvoltarea unei teorii unificate care descrie pe deplin toate fenomenele existente. Cu ajutorul ei, oamenii de știință au sperat să arate că fiecare constantă mondială poate avea o singură valoare posibilă, datorită mecanismelor interne care determină arbitrariul înșelător al naturii.

Cel mai bun candidat pentru titlul unei teorii unificate este teoria M (o variantă a teoriei corzilor), care poate fi considerată consistentă dacă Universul nu are patru dimensiuni spațiu-timp, ci unsprezece. Prin urmare, este posibil ca constantele pe care le observăm să nu fie cu adevărat fundamentale. Adevăratele constante există în întreg spațiul multidimensional și vedem doar „siluetele” lor tridimensionale.

PREZENTARE GENERALĂ: CONSTANTE LUMII

1. În multe ecuații fizice, există cantități care sunt considerate constante peste tot - în spațiu și timp.

2. Recent, oamenii de știință s-au îndoit de constanța constantelor lumii. Comparând rezultatele observațiilor de quasari și măsurătorile de laborator, ei ajung la concluzia că elementele chimice din trecutul îndepărtat absorbeau lumina diferit decât în ​​prezent. Diferența poate fi explicată printr-o modificare de câteva milionatimi a constantei structurii fine.

3. Confirmarea chiar și a unei schimbări atât de mici va fi o adevărată revoluție în știință. Constantele observate se pot dovedi a fi doar „siluete” ale constantelor adevărate care există în spațiu-timp multidimensional.

Între timp, fizicienii au ajuns la concluzia că valorile multor constante pot fi rezultatul unor evenimente aleatorii și al interacțiunilor dintre particulele elementare din primele etape ale istoriei universului. Teoria corzilor permite existența unui număr mare ($10^(500)$) de lumi cu seturi diferite de legi și constante auto-consistente ( vezi Landscape of String Theory, In the World of Science, nr. 12, 2004.). Până acum, oamenii de știință nu au idee de ce a fost selectată combinația noastră. Poate că, ca urmare a cercetărilor ulterioare, numărul de lumi posibile logic va scădea la una, dar este posibil ca Universul nostru să fie doar o mică parte a multiversului, în care sunt implementate diverse soluții ale ecuațiilor unei teorii unificate, și observăm doar una dintre variantele legilor naturii ( vezi Parallel Universes, In the World of Science, nr. 8, 2003).În acest caz, nu există o explicație pentru multe constante ale lumii, cu excepția faptului că ele constituie o combinație rară care permite dezvoltarea conștiinței. Poate că universul pe care îl observăm a devenit una dintre multele oaze izolate înconjurate de o infinitate de spațiu exterior fără viață - un loc suprarealist în care domină forțe ale naturii complet străine pentru noi, iar particule precum electronii și structuri precum atomii de carbon și moleculele de ADN sunt pur și simplu imposibile. Încercarea de a ajunge acolo ar fi fost fatală.

Teoria corzilor a fost, de asemenea, dezvoltată pentru a explica aparentul arbitrar al constantelor fizice, astfel încât ecuațiile sale de bază conțin doar câțiva parametri arbitrari. Dar până acum nu explică valorile observate ale constantelor.

Riglă de încredere

De fapt, folosirea cuvântului „constant” nu este pe deplin legitimă. Constantele noastre s-ar putea schimba în timp și spațiu. Dacă dimensiunile extraspațiale s-ar schimba în dimensiune, constantele din lumea noastră tridimensională s-ar schimba odată cu ele. Și dacă ne-am uita suficient de departe în spațiu, am putea vedea zone în care constantele au luat valori diferite. Din anii 1930 oamenii de știință au speculat că constantele ar putea să nu fie constante. Teoria corzilor conferă acestei idei o plauzibilitate teoretică și face căutarea impermanenței cu atât mai importantă.

Prima problemă este că configurația laboratorului în sine poate fi sensibilă la modificările constantelor. Mărimea tuturor atomilor ar putea crește, dar dacă rigla folosită pentru măsurători ar deveni și mai lungă, nu s-ar putea spune nimic despre modificarea dimensiunii atomilor. Experimentatorii presupun de obicei că standardele de măsurare (rigle, greutăți, ceasuri) sunt neschimbate, dar acest lucru nu poate fi realizat la verificarea constantelor. Cercetătorii ar trebui să acorde atenție constantelor fără dimensiuni - pur și simplu numere care nu depind de sistemul de unități de măsură, de exemplu, raportul dintre masa unui proton și masa unui electron.

Se schimbă structura internă a universului?

Un interes deosebit este cantitatea $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, care combină viteza luminii $c$, sarcina electrică a electronului $e$, constanta lui Planck $h$ și așa- numită constantă dielectrică a vidului $\epsilon_0$. Se numește constantă de structură fină. A fost introdus pentru prima dată în 1916 de către Arnold Sommerfeld, care a fost unul dintre primii care au încercat să aplice mecanica cuantică electromagnetismului: $\alpha$ raportează caracteristicile relativiste (c) și cuantice (h) ale interacțiunilor electromagnetice (e) care implică particule încărcate. într-un spațiu gol ($\epsilon_0$). Măsurătorile au arătat că această valoare este 1/137,03599976 (aproximativ 1/137).

Dacă $\alpha $ ar avea un alt sens, atunci întreaga lume s-ar schimba. Dacă ar fi mai mică, densitatea unui solid compus din atomi ar scădea (proporțional cu $\alpha^3 $), legăturile moleculare s-ar rupe la temperaturi mai scăzute ($\alpha^2 $), iar numărul de elemente stabile în tabelul periodic ar putea crește ($1/\alpha $). Dacă $\alpha $ s-ar dovedi a fi prea mari, nucleele atomice mici nu ar putea exista, deoarece forțele nucleare care le leagă nu ar fi capabile să împiedice respingerea reciprocă a protonilor. Pentru $\alpha >0,1 $ carbon nu ar putea exista.

Reacțiile nucleare din stele sunt deosebit de sensibile la $\alpha $. Pentru ca fuziunea nucleară să aibă loc, gravitația stelei trebuie să creeze o temperatură suficient de ridicată pentru a face ca nucleele să se apropie, în ciuda tendinței lor de a se respinge unul pe altul. Dacă $\alpha $ ar fi mai mare de 0,1, atunci fuziunea ar fi imposibilă (cu excepția cazului în care, desigur, alți parametri, cum ar fi raportul dintre masele electronilor și protonilor, au rămas neschimbați). O modificare a $\alpha$ cu doar 4% ar afecta nivelurile de energie din miezul carbonului într-o asemenea măsură încât apariția lui în stele ar înceta pur și simplu.

Implementarea tehnicilor nucleare

A doua problemă, mai serioasă, experimentală, este că măsurarea modificărilor constantelor necesită echipamente de înaltă precizie, care trebuie să fie extrem de stabile. Chiar și cu ceasurile atomice, deriva constantei structurii fine poate fi urmărită doar pentru câțiva ani. Dacă $\alpha $ s-ar schimba cu mai mult de 4 $\cdot$ $10^(–15)$ în trei ani, ceasul cel mai precis ar putea detecta acest lucru. Cu toate acestea, nimic de acest fel nu a fost încă înregistrat. S-ar părea, de ce nu confirmarea constanței? Dar trei ani pentru spațiu este o clipă. Schimbările lente, dar semnificative din istoria universului pot trece neobservate.

STRUCTURA FINĂ UȘOARĂ ȘI PERMANENTĂ

Din fericire, fizicienii au găsit alte modalități de a verifica. În anii 1970 Oamenii de știință de la Comisia Franceză pentru Energie Atomică au observat câteva caracteristici în compoziția izotopică a minereului din mina de uraniu de la Oklo din Gabon (Africa de Vest): semăna cu deșeurile din reactorul nuclear. Se pare că în urmă cu aproximativ 2 miliarde de ani, în Oklo s-a format un reactor nuclear natural ( vezi Divine Reactor, In the World of Science, nr. 1, 2004).

În 1976, Alexander Shlyakhter de la Institutul de Fizică Nucleară din Leningrad a observat că performanța reactoarelor naturale depinde în mod critic de energia exactă a stării specifice a nucleului de samariu care captează neutronii. Și energia în sine este strâns legată de valoarea $\alpha $. Deci, dacă constanta structurii fine ar fi fost ușor diferită, nu ar fi putut avea loc nicio reacție în lanț. Dar s-a întâmplat cu adevărat, ceea ce înseamnă că în ultimii 2 miliarde de ani constanta nu s-a schimbat cu mai mult de 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Fizicienii continuă să discute despre rezultatele cantitative exacte din cauza incertitudinii inevitabile cu privire la condițiile dintr-un reactor natural.)

În 1962, P. James E. Peebles și Robert Dicke de la Universitatea Princeton au fost primii care au aplicat o astfel de analiză meteoriților antici: abundența relativă a izotopilor rezultată din dezintegrarea lor radioactivă depinde de $\alpha $. Cea mai sensibilă limitare este asociată cu degradarea beta în conversia reniului în osmiu. Conform lucrărilor recente ale lui Keith Olive de la Universitatea din Minnesota și Maxim Pospelov de la Universitatea Victoria din Columbia Britanică, $\alpha$ a diferit de valoarea sa actuală cu 2 $\cdot$ $10^ la momentul formării meteoriților. 6)$. Acest rezultat este mai puțin precis decât datele Oklo, dar merge mai mult înapoi în timp, până la originea sistemului solar acum 4,6 miliarde de ani.

Pentru a explora posibilele schimbări pe perioade chiar mai lungi de timp, cercetătorii trebuie să privească spre ceruri. Lumina de la obiecte astronomice îndepărtate ajunge la telescoapele noastre timp de miliarde de ani și poartă amprenta legilor și constantelor lumii din acele vremuri când tocmai și-a început călătoria și interacțiunea cu materia.

Liniile spectrale

Astronomii s-au implicat în povestea constantelor la scurt timp după descoperirea quasarilor în 1965, care tocmai fuseseră descoperiți și identificați ca surse de lumină strălucitoare situate la distanțe mari de Pământ. Deoarece calea luminii de la quasar la noi este atât de lungă, ea traversează inevitabil cartierele gazoase ale galaxiilor tinere. Gazul absoarbe lumina quasarului la frecvențe specifice, imprimând un cod de bare de linii înguste pe spectrul său (vezi caseta de mai jos).

CĂUTAREA MODIFICĂRILOR RADIAȚIEI QUASAR

Atunci când gazul absoarbe lumina, electronii conținuti în atomi sar de la niveluri de energie inferioare la niveluri superioare. Nivelurile de energie sunt determinate de cât de puternic nucleul atomic reține electronii, care depinde de puterea interacțiunii electromagnetice dintre ei și, prin urmare, de constanta structurii fine. Dacă era diferit în momentul în care lumina a fost absorbită sau într-o anumită regiune a universului în care sa întâmplat, atunci energia necesară pentru a muta un electron la un nou nivel și lungimile de undă ale tranzițiilor observate în spectre ar trebui fi diferit de cel observat astăzi în experimentele de laborator. Natura modificării lungimilor de undă depinde în mod critic de distribuția electronilor pe orbitele atomice. Pentru o anumită modificare a $\alpha$, unele lungimi de undă scad, în timp ce altele cresc. Modelul complex de efecte este greu de confundat cu erorile de calibrare a datelor, ceea ce face ca un astfel de experiment să fie extrem de util.

Când am început să lucrăm acum șapte ani, ne-am confruntat cu două probleme. În primul rând, lungimile de undă ale multor linii spectrale nu au fost măsurate cu suficientă precizie. Destul de ciudat, oamenii de știință știau mult mai multe despre spectrele quasarelor aflate la miliarde de ani lumină distanță decât despre spectrele probelor terestre. Aveam nevoie de măsurători de laborator de înaltă precizie pentru a compara spectrele quasarului cu acestea și i-am convins pe experimentatori să facă măsurătorile corespunzătoare. Acestea au fost realizate de Anne Thorne și Juliet Pickering de la Colegiul Imperial din Londra, iar mai târziu de echipe conduse de Sveneric Johansson de la Observatorul Lund din Suedia și de Ulf Griesmann și Rainer Kling (Rainer Kling) de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din Suedia. Maryland.

A doua problemă a fost că observatorii anteriori au folosit așa-numitele dublete alcaline, perechi de linii de absorbție care apar în gazele atomice de carbon sau siliciu. Ei au comparat intervalele dintre aceste linii din spectrele quasarului cu măsurătorile de laborator. Cu toate acestea, această metodă nu a permis exploatarea unui fenomen specific: variațiile în $\alpha $ determină nu numai o modificare a intervalului dintre nivelurile de energie ale unui atom față de nivelul cu cea mai scăzută energie (starea fundamentală), dar de asemenea, o schimbare a poziţiei stării fundamentale în sine. De fapt, al doilea efect este chiar mai puternic decât primul. Ca rezultat, acuratețea observațiilor a fost de numai 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

În 1999, unul dintre autorii lucrării (Web) și Victor V. Flambaum de la Universitatea din New South Wales din Australia au dezvoltat o tehnică care să țină cont de ambele efecte. Ca urmare, sensibilitatea a fost crescută de 10 ori. În plus, a devenit posibilă compararea diferitelor tipuri de atomi (de exemplu, magneziu și fier) ​​și efectuarea unor verificări încrucișate suplimentare. Au trebuit efectuate calcule complicate pentru a stabili exact cum variază lungimile de undă observate în diferite tipuri de atomi. Înarmați cu telescoape și senzori de ultimă generație, am decis să testăm persistența $\alpha$ cu o acuratețe fără precedent, folosind o nouă metodă de mai mulți multipleți.

Revizuirea vederilor

Când am început experimentele, am vrut pur și simplu să stabilim cu o mai mare acuratețe că valoarea constantei structurii fine în antichitate era aceeași ca și astăzi. Spre surprinderea noastră, rezultatele obținute în 1999 au arătat diferențe mici, dar semnificative statistic, care au fost ulterior confirmate. Folosind date de la 128 de linii de absorbție de quasar, am înregistrat o creștere a $\alpha$ cu 6 $\cdot$ $10^(–6)$ în ultimii 6–12 miliarde de ani.

Rezultatele măsurătorilor constantei structurii fine nu ne permit să tragem concluzii finale. Unii dintre ei indică faptul că era cândva mai mic decât este acum, iar alții nu sunt. Poate că α sa schimbat în trecutul îndepărtat, dar acum a devenit constantă. (Casutele reprezintă intervalul de date.)

Afirmațiile îndrăznețe necesită dovezi solide, așa că primul nostru pas a fost să revizuim cu atenție metodele noastre de colectare și analiză a datelor. Erorile de măsurare pot fi împărțite în două tipuri: sistematice și aleatorii. Cu inexactități aleatorii, totul este simplu. În fiecare măsurătoare individuală, aceștia iau valori diferite, care, cu un număr mare de măsurători, sunt mediate și tind spre zero. Erorile sistematice care nu sunt mediate sunt mai dificil de tratat. În astronomie, incertitudini de acest fel sunt întâlnite la fiecare pas. În experimentele de laborator, instrumentele pot fi reglate pentru a minimiza erorile, dar astronomii nu pot „ajusta” universul și trebuie să admită că toate metodele lor de colectare a datelor conțin părtiniri inerente. De exemplu, distribuția spațială observată a galaxiilor este în mod semnificativ părtinitoare către galaxii luminoase, deoarece acestea sunt mai ușor de observat. Identificarea și neutralizarea acestor schimbări este o provocare constantă pentru observatori.

În primul rând, am atras atenția asupra posibilei distorsiuni a scalei lungimii de undă, în raport cu care au fost măsurate liniile spectrale ale quasarului. Ar putea apărea, de exemplu, în timpul procesării rezultatelor „brute” ale observării quasarelor într-un spectru calibrat. Deși simpla întindere liniară sau micșorare a scalei lungimii de undă nu ar putea imita exact schimbarea în $\alpha$, chiar și o similitudine aproximativă ar fi suficientă pentru a explica rezultatele. Treptat, am eliminat erorile simple asociate cu distorsiunile prin înlocuirea datelor de calibrare în locul rezultatelor observației quasarului.

De mai bine de doi ani, investigăm diverse cauze ale părtinirii pentru a ne asigura că impactul lor este neglijabil. Am găsit o singură sursă potențială de erori grave. Vorbim despre liniile de absorbție a magneziului. Fiecare dintre cei trei izotopi stabili ai săi absoarbe lumina cu lungimi de undă diferite, care sunt foarte aproape unul de celălalt și sunt vizibile în spectrele quasarului ca o singură linie. Pe baza măsurătorilor de laborator ale abundenței relative a izotopilor, cercetătorii judecă contribuția fiecăruia dintre ei. Distribuția lor în tânărul Univers ar putea fi semnificativ diferită de cea de astăzi, dacă stelele care emit magneziu ar fi, în medie, mai grele decât omologii lor de astăzi. Astfel de diferențe ar putea imita o schimbare în $\alpha$, dar rezultatele unui studiu publicat anul acesta indică faptul că faptele observate nu sunt atât de ușor de explicat. Yeshe Fenner și Brad K. Gibson de la Universitatea de Tehnologie Swinburne din Australia și Michael T. Murphy de la Universitatea din Cambridge au concluzionat că abundența izotopilor necesară pentru a imita schimbarea $\alpha$ ar duce, de asemenea, la o sinteză în exces a azotului la începutul anului. Univers, care este complet inconsecvent cu observațiile. Deci trebuie să trăim cu posibilitatea ca $\alpha$ să se fi schimbat.

CATEORI SE SCHIMBA, CATEORI NU

Conform ipotezei prezentate de autorii articolului, în unele perioade ale istoriei cosmice constanta structurii fine a rămas neschimbată, în timp ce în altele a crescut. Datele experimentale (a se vedea insertul anterior) sunt în concordanță cu această ipoteză.

Comunitatea științifică a apreciat imediat importanța rezultatelor noastre. Cercetătorii spectrelor quasarelor din întreaga lume au efectuat imediat măsurătorile. În 2003, echipele de cercetare ale lui Serghei Levshakov (Sergei Levshakov) de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Sankt Petersburg. Ioffe și Ralf Quast de la Universitatea din Hamburg au studiat trei noi sisteme quasar. Anul trecut, Hum Chand și Raghunathan Srianand de la Centrul Interuniversitar pentru Astronomie și Astrofizică din India, Patrick Petitjean de la Institutul de Astrofizică și Bastien Aracil de la LERMA din Paris au analizat încă 23 de cazuri. Niciunul dintre grupuri nu a găsit modificări la $\alpha$. Chand susține că orice schimbare între 6 și 10 miliarde de ani în urmă trebuie să fie mai mică de o milioneme.

De ce metodologiile similare utilizate pentru analiza diferitelor date sursă au condus la o discrepanță atât de drastică? Răspunsul nu este încă cunoscut. Rezultatele obținute de cercetătorii menționați sunt de o calitate excelentă, dar dimensiunea probelor lor și vârsta radiației analizate sunt semnificativ mai mici decât ale noastre. În plus, Chand a folosit o versiune simplificată a metodei multi-multiplet și nu a evaluat pe deplin toate erorile experimentale și sistematice.

Renumitul astrofizician John Bahcall de la Princeton a criticat însăși metoda multimultipletului, dar problemele pe care le evidențiază sunt din categoria erorilor aleatorii, care sunt minimizate atunci când se folosesc mostre mari. Bacall și Jeffrey Newman de la Laboratorul Național. Lawrence de la Berkeley a luat în considerare liniile de emisie, nu liniile de absorbție. Abordarea lor este mult mai puțin precisă, deși se poate dovedi utilă în viitor.

Reforma legislativă

Dacă rezultatele noastre sunt corecte, consecințele vor fi enorme. Până de curând, toate încercările de a estima ce s-ar întâmpla cu Universul dacă s-ar schimba constanta structurii fine au fost nesatisfăcătoare. Ei nu au mers mai departe decât să considere $\alpha$ ca o variabilă în aceleași formule care au fost obținute sub ipoteza că este constantă. De acord, o abordare foarte dubioasă. Dacă $\alpha $ se modifică, atunci energia și impulsul din efectele asociate cu acesta ar trebui conservate, ceea ce ar trebui să afecteze câmpul gravitațional din Univers. În 1982, Jacob D. Bekenstein de la Universitatea Ebraică din Ierusalim a generalizat pentru prima dată legile electromagnetismului în cazul constantelor neconstante. În teoria sa, $\alpha $ este considerată ca o componentă dinamică a naturii, adică. ca un câmp scalar. Acum patru ani, unul dintre noi (Barrow), împreună cu Håvard Sandvik și João Magueijo de la Imperial College London, au extins teoria lui Bekenstein pentru a include gravitația.

Predicțiile teoriei generalizate sunt ademenitor de simple. Deoarece electromagnetismul la scară cosmică este mult mai slab decât gravitația, modificările în $\alpha$ cu câteva milionimi nu au un efect vizibil asupra expansiunii Universului. Dar expansiunea afectează în mod semnificativ $\alpha $ din cauza discrepanței dintre energiile câmpurilor electrice și magnetice. În primele zeci de mii de ani de istorie cosmică, radiația a dominat particulele încărcate și a menținut un echilibru între câmpurile electrice și magnetice. Pe măsură ce universul s-a extins, radiațiile au devenit rarefiate, iar materia a devenit elementul dominant al cosmosului. Energiile electrice și magnetice s-au dovedit a fi inegale și $\alpha $ au început să crească proporțional cu logaritmul timpului. Cu aproximativ 6 miliarde de ani în urmă, energia întunecată a început să domine, accelerând expansiunea, ceea ce face dificilă propagarea tuturor interacțiunilor fizice în spațiul liber. Ca rezultat, $\alpha$ a devenit din nou aproape constant.

Imaginea descrisă este în concordanță cu observațiile noastre. Liniile spectrale ale quasarului caracterizează acea perioadă a istoriei cosmice când materia domina și $\alpha$ a crescut. Rezultatele măsurătorilor și studiilor de laborator în Oklo corespund perioadei în care domină energia întunecată și $\alpha$ este constantă. De interes deosebit este studiul în continuare a influenței modificării $\alpha$ asupra elementelor radioactive din meteoriți, deoarece ne permite să studiem tranziția dintre cele două perioade numite.

Alpha este doar începutul

Dacă constanta structurii fine se schimbă, atunci obiectele materiale trebuie să cadă diferit. La un moment dat, Galileo a formulat principiul echivalenței slabe, conform căruia corpurile în vid cad cu aceeași viteză, indiferent din ce sunt făcute. Dar modificările în $\alpha$ trebuie să genereze o forță care acționează asupra tuturor particulelor încărcate. Cu cât un atom conține mai mulți protoni în nucleul său, cu atât îl va simți mai puternic. Dacă concluziile desprinse din analiza rezultatelor observațiilor quasarului sunt corecte, atunci accelerația căderii libere a corpurilor din diferite materiale ar trebui să difere cu aproximativ 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Acesta este de 100 de ori mai mic decât ceea ce poate fi măsurat în laborator, dar suficient de mare pentru a arăta diferențe în experimente precum STEP (Testing the Equivalence Principle in Space).

În studiile anterioare ale $\alpha $, oamenii de știință au neglijat neomogenitatea Universului. Ca toate galaxiile, Calea Lactee este de aproximativ un milion de ori mai densă decât spațiul cosmic, în medie, așa că nu se extinde odată cu universul. În 2003, Barrow și David F. Mota de la Cambridge au calculat că $\alpha$ se poate comporta diferit într-o galaxie decât în ​​regiunile mai goale ale spațiului. De îndată ce o galaxie tânără se condensează și, în timp ce se relaxează, intră în echilibru gravitațional, $\alpha$ devine constantă în interiorul galaxiei, dar continuă să se schimbe în exterior. Astfel, experimentele de pe Pământ care testează persistența $\alpha$ suferă de o selecție părtinitoare a condițiilor. Încă trebuie să ne dăm seama cum afectează acest lucru verificarea principiului echivalenței slabe. Nu au fost observate încă variații spațiale ale $\alpha$. Bazându-se pe omogenitatea CMB, Barrow a arătat recent că $\alpha $ nu variază cu mai mult de 1 $\cdot$ $10^(–8)$ între regiunile sferei cerești distanțate cu $10^o$.

Rămâne să așteptăm apariția unor noi date și noi studii care să confirme sau să infirme în cele din urmă ipoteza despre schimbarea în $\alpha $. Cercetătorii s-au concentrat pe această constantă, pur și simplu pentru că efectele datorate variațiilor sale sunt mai ușor de observat. Dar dacă $\alpha$ este cu adevărat mutabil, atunci și alte constante trebuie să se schimbe. În acest caz, va trebui să admitem că mecanismele interne ale naturii sunt mult mai complicate decât am crezut.

DESPRE AUTORI:
John Barrow (John D. Barrow), John Web (John K. Webb) sa angajat în studiul constantelor fizice în 1996, în timpul unui an sabatic comun la Universitatea din Sussex din Anglia. Apoi Barrow a explorat noi posibilități teoretice de schimbare a constantelor, iar Web a fost implicat în observarea quasarelor. Ambii autori scriu cărți non-ficțiune și apar adesea în programele de televiziune.

Există noi confirmări că una dintre cele mai importante constante ale fizicii moderne se schimbă în timp - și în diferite părți ale Universului în moduri diferite.

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

Un quasar este o sursă punctiformă de radiație caracterizată printr-o intensitate și variabilitate extrem de ridicată. Conform teoriilor moderne, quasarii sunt centrii activi ai galaxiilor tinere cu gauri negre situate in centrele lor, care absorb materia cu un apetit deosebit.De ce este Universul asa cum este? De ce rapoartele numerice ale constantelor adimensionale sunt exact așa cum le cunoaștem? De ce spațiul are trei dimensiuni extinse? De ce există exact interacțiuni fundamentale și nu, să zicem, cinci? De ce, în sfârșit, totul este atât de echilibrat și precis „potrivit” unul sub celălalt? Astăzi este popular să credem că dacă ceva ar fi diferit, dacă una dintre constantele de bază ar fi diferită, pur și simplu nu am putea pune aceste întrebări. Această abordare se numește principiul antropic: dacă constantele ar fi legate diferit, particulele elementare stabile nu s-ar putea forma, dacă spațiul ar avea mai multe dimensiuni, planetele nu ar putea dobândi orbite stabile și așa mai departe. Cu alte cuvinte, Universul nu s-ar fi putut forma – și cu atât mai mult, organisme inteligente ca tine și mine nu s-ar fi putut dezvolta. (Mai multe despre principiul antropic sunt descrise în articolul „Universul umanitar.”) În general, am apărut exact în locul potrivit - în singurul unde am putut apărea. Și poate la momentul potrivit, așa cum demonstrează un studiu recent de mare profil al uneia dintre constantele fizice fundamentale. Vorbim despre constanta de structură fină, o mărime adimensională care nu poate fi derivată din nicio formulă. Se stabilește empiric ca raportul dintre viteza de rotație a unui electron (situat pe raza Bohr) și viteza luminii și este egal cu 1/137,036. Caracterizează forța de interacțiune a sarcinilor electrice cu fotonii. În ciuda faptului că se numește constantă, fizicienii au dezbătut de zeci de ani cât de constantă este de fapt această constantă. Valoarea sa oarecum „corectată” pentru diferite cazuri ar putea rezolva anumite probleme din cosmologia și astrofizica modernă. Și odată cu apariția Teoriei Corzilor pe scenă, mulți oameni de știință tind, în general, să creadă că alte constante ar putea să nu fie atât de constante. Modificările constantei structurii fine ar putea indica indirect existența reală a unor dimensiuni suplimentare pliate ale Universului, ceea ce este absolut necesar în Teoria Corzilor. Toate acestea au stimulat căutarea de dovezi - sau de respingere - că constanta structurii fine poate fi diferită în alte puncte din spațiu și (sau) timp. Din fericire, pentru a-l evalua, puteți folosi un astfel de instrument accesibil precum spectroscopia (constanta de structură fină tocmai a fost introdusă pentru a interpreta observațiile spectroscopice), iar pentru a „privi în trecut”, este suficient să priviți stelele îndepărtate. . La început, experimentele păreau să infirme posibilitatea unor schimbări în această constantă, dar pe măsură ce instrumentele au devenit mai sofisticate, a fost posibil să se estimeze valoarea acesteia la distanțe mai mari și cu o mai mare acuratețe, au început să apară mai multe dovezi interesante. În 1999, de exemplu, astronomii australieni conduși de John Webb (John Webb) au analizat spectrele a 128 de quasari îndepărtați și au arătat că unii dintre parametrii acestora pot fi explicați printr-o creștere treptată a constantei structurii fine în ultimii 10-12 miliarde de ani. . Cu toate acestea, aceste rezultate au fost foarte controversate. Să presupunem că o lucrare care datează din 2004, pe de altă parte, nu a arătat modificări vizibile. Și chiar zilele trecute, același John Webb a făcut un nou raport senzațional - noua sa lucrare a fost numită de unii experți „descoperirea anului” în fizică. Anterior, la sfârșitul anilor 1990, Webb și colegii au lucrat cu Observatorul Keck din Hawaii și au observat quasari în emisfera cerească nordică. Apoi au ajuns la concluzia că acum 10 miliarde de ani, constanta structurii fine a fost cu aproximativ 0,0001 mai mică și a „crescut” puțin de atunci. Acum, după ce au lucrat cu telescopul VLT al Observatorului ESO din Chile și au observat 153 de quasari ai emisferei sudice, au obținut aceleași rezultate, dar... cu semnul opus. Constanta structurii fine „spre sud” a fost cu 0,0001 mai mare în urmă cu 10 miliarde de ani și a „scăzut” de atunci. Aceste diferențe, numite „dipolul australian” de către cercetători, sunt foarte semnificative din punct de vedere statistic. Și cel mai important, ele pot mărturisi despre asimetria fundamentală a universului nostru, care poate fi observată atât în ​​spațiu, cât și în timp. Revenind la principiul antropic cu care am început, putem spune că ne-am născut nu doar într-un loc ideal, ci și într-un moment ideal.

Potrivit Physics World

Constanta fundamentală numită a microlumii: α ≈ 1/137 a fost introdusă în fizică în anii 1920 de Arnold Sommerfeld pentru a descrie subnivelurile de energie găsite experimental în spectrele de emisie ale atomilor. De atunci, multe alte manifestări ale aceluiași raport constant au fost relevate în diferite fenomene asociate cu interacțiunile particulelor elementare. Fizicienii de frunte din acea vreme și-au dat seama treptat de semnificația acestui număr, atât în ​​lumea particulelor elementare, cât și în general - în structura universului nostru. Din acest punct de vedere, este suficient să spunem că toate proprietățile și caracteristicile principale ale obiectelor din microlume: dimensiunea orbitelor electronilor în atomi, energiile de legare (atât între particulele elementare, cât și între atomi) și, astfel, toate elementele fizice și chimice. proprietățile materiei, sunt determinate de valoarea acestei constante. În viitor, folosind constanta numită, a fost posibil să se dezvolte o teorie formală foarte eficientă - electrodinamica cuantică modernă (QED), care descrie interacțiunea electromagnetică cuantică cu o acuratețe fantastică.

Din cele de mai sus, se poate aprecia importanța sarcinii de clarificare a sensului fizic și a mecanismului cauzal pentru apariția acestei constante, care a fost o întrebare deschisă în fizică de când a fost descoperită. În limbajul teoreticienilor, rezolvarea acestei probleme înseamnă: a numi conceptul inițial al apariției constantei numite, pe baza căruia, prin calcule succesive, se poate ajunge la valoarea ei stabilită experimental. Semnificația întrebării puse poate fi judecată din declarația în glumă a celebrului fizician de renume mondial, Wolfgang Pauli: „Când mor, primul lucru pe care îl consider că îl întreb pe diavol este care este sensul constantei structurii fine?” Ei bine, Richard Feynman a considerat însuși faptul existenței acestui număr misterios „un blestem pentru toți fizicienii” și i-a sfătuit pe teoreticienii buni „să-l spargă pe perete și să se gândească mereu la el”!

Întrebarea prezentată a căpătat o asemenea semnificație, în primul rând, deoarece constanta numită este direct legată de problema înțelegerii esenței fizice a particulelor elementare, deoarece nu apare separat de acestea, ci ca proprietatea lor profundă. Prin urmare, mulți fizicieni se străduiesc din greu de mulți ani să rezolve această mare problemă, folosind abordări și metode diferite. Dar până acum toate eforturile lor au fost fără succes.

Ce propune autorul? A putut descoperi că soluția la „misterul secolului al XX-lea” se găsește de fapt în manualele noastre și în formule cunoscute legate de valuri, dacă doar atent calculate! Aceasta înseamnă că α este o constantă de undă clasică. Dar trebuie să vă avertizăm că cea mai simplă explicație a unei ghicitori poate fi nedumerită dacă inițial nu suntem înclinați să ascultăm ceea ce ni se oferă. După cum a arătat experiența, soluția prezentată la problemă este foarte greu de perceput de mulți specialiști, deși nimeni nu respinge corectitudinea rezultatului!

Care este motivul acestei dificultati? Din nefericire, teoreticienii moderni de frunte, purtați excesiv de teoriile matematice formale (care au fost considerate inițial ca o opțiune temporară de compromis), au uitat deja de existența dilemei fundamentale nerezolvate „particule – valuri” în fizică. Ca urmare, este dificil să întâlniți un fizician care să nu fie surprins de abordarea autorului - să reprezinte o particulă ca undă staționară localizată (deși oficial acest lucru este destul de acceptabil, din cauza aceleiași dileme nerezolvate). Și asta în ciuda faptului că autoritățile de necontestat ale științei fizice au ajuns de mult la o concluzie similară: Einstein, Schrödinger, Heisenberg și alții sub presiunea argumentelor grele.

Lucrarea prezentată și rezultatul obținut, în opinia autorului, pot fi un indiciu serios al corectitudinii convingerilor luminarilor fizicii. Dar această concluzie a fost odinioară ignorată cu încăpățânare de majoritatea voturilor colegilor (din moment ce nu a fost posibil să se obțină rezultatele necesare care să confirme corectitudinea acestei concluzii). În consecință, cercetările în acest domeniu a fizicii teoretice au mers într-o direcție ineficientă. Soluția propusă poate fi cheia dezvăluirii esenței fizice a particulelor elementare și, prin urmare, deschide o cale clară către descrierea microlumii, alternativă la teoriile fenomenologice formale moderne. Totuși, cuvântul decisiv aici aparține experților cu gândire profundă - teoreticieni, care, sperăm, vor fi găsiți cu siguranță și vor oferi o evaluare obiectivă a lucrării prezentate.

S-a descoperit că constanta de structură fină, notată cu litera greacă α, s-a schimbat în spațiu și timp de la Big Bang. Această descoperire a fost deja numită „știrea anului în fizică” de către specialiștii care nu au participat la lucrări. Dacă acest fapt este adevărat, atunci aceasta ar însemna o încălcare a principiului fundamental al teoriei generale a relativității a lui Einstein.

În același timp, natura asimetriei constantei structurii fine poate ajuta oamenii de știință să creeze o teorie unificată a fizicii care descrie cele patru interacțiuni fundamentale (gravitație, electromagnetism și forțe nucleare puternice și slabe), precum și să înțeleagă mai bine natura. a Universului nostru.

Constanta de structură fină α este adimensională, aproximativ egală cu 1/137. A fost descris pentru prima dată în 1916 de către fizicianul german Arnold Sommerfeld. El a interpretat-o ​​ca raportul vitezei unui electron pe prima orbită circulară în modelul Bohr a atomului (acesta este cel mai simplu model al atomului, în care electronii se mișcă în jurul unui nucleu încărcat pozitiv, ca planetele în jurul Soarelui) la viteza luminii. În electrodinamica cuantică, constanta structurii fine caracterizează puterea interacțiunii dintre sarcinile electrice și fotoni. Valoarea sa nu poate fi prezisă teoretic și este introdusă pe baza datelor experimentale. Constanta de structură fină este unul dintre cei douăzeci de „parametri externi” impari ai modelului standard din fizica particulelor și au existat câteva indicii teoretice că s-ar putea schimba.

John Webb, Victor Flambaum și colegii lor de la Universitatea din New South Wales au căutat semne ale unei schimbări în α din 1998, studiind radiația quasarilor îndepărtați. Această radiație a călătorit de miliarde de ani pe Pământ prin nori de gaz. O parte din ea a fost absorbită la anumite lungimi de undă, din care se pot trage concluzii despre compoziția chimică a norilor și din aceasta se determină deja care era constanta structurii fine cu miliarde de ani în urmă. Potrivit cercetătorilor australieni care au studiat obiectele din emisfera nordică, această valoare era înainte cu 1/100.000 mai mică decât este acum. Acest rezultat, obținut în urmă cu câțiva ani, nu a fost acceptat de toți fizicienii.

Analizând 153 de quasari de pe cerul emisferei sudice cu VLT din Chile, oamenii de știință au descoperit că structura fină constantă de acum miliarde de ani era cu 1/100.000 mai mare decât este acum.

Această asimetrie, numită „dipol australian”, este determinată cu o precizie de 4 sigma, ceea ce înseamnă că există doar o șansă din cincisprezece mii ca acest rezultat să fie greșit. Variația spațială a lui α este dovada că interacțiunea electromagnetică încalcă principiul de echivalență al lui Einstein, conform căruia constanta structurii fine trebuie să fie aceeași, indiferent unde și când este măsurată.

Wim Ubachs, un spectroscopist de la Universitatea din Amsterdam (Olanda), a numit munca fizicienilor australieni „știrile anului în fizică” și a adăugat că dă „o nouă întorsătură problemei”.

Constanta structurii fine și alți parametri fundamentali sunt determinați de masele și energiile particulelor elementare, inclusiv cele care alcătuiesc materia întunecată. Dacă aceste constante se schimbă, raportul dintre abundența materiei normale, materiei întunecate și energie întunecată poate fi diferit în diferite părți ale universului. Aceasta ar putea fi văzută ca o anizotropie suplimentară în fundalul cosmic cu microunde sau o asimetrie în rata de expansiune a universului.

Cel mai intrigant aspect al acestei descoperiri este legat de așa-numitul „principiu antropic”, care sună astfel: „Vedem Universul așa cum este, pentru că numai într-un astfel de Univers ar fi putut apărea un observator, o persoană”. Adică, din principiul antropic rezultă că constantele fundamentale au valori care permit materiei și energiei să fie sub formă de stele, planete și propriile noastre corpuri. Dacă α se schimbă în timp și spațiu, este posibil să ne datorăm existența unui loc și unui timp special din univers.