20.09.2010

Непостоянство тонкой структуры

Если новые измерения постоянной тонкой структуры будут подтверждены, мы останемся без теории относительности и квантовой электродинамики, зато с теорией струн и антропным принципом

В последнее время участились попытки подрыва основ современной физики. Причем у этой новой волны имеется примечательное свойство: массированная атака «научных террористов» идет на, казалось бы, самые прочные элементы фундамента, сомнению подвергаются ключевые константы.

Первая мощная мина была подложена всего два с небольшим месяца назад, когда Рандольф Поль и его коллеги опубликовали сенсационные результаты своих экспериментов по измерению радиуса протона, который оказался почти на 4% меньше в сравнении с каноническими размерами.

Не успели немного утихнуть страсти вокруг внезапно похудевшего протона, как к этому деструктивному процессу подключились представители Зеленого континента. В начале сентября группа ученых из университетов Нового Южного Уэльса и Суинбёрна ошарашила научный мир информацией, что постоянная тонкой структуры (ПТС), характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия, якобы вовсе не обладает постоянством, приписываемым ей мейнстримовскими постулатами.

Ведущий автор исследования Джон Уэбб впервые официально представил данные на международной астрономической конференции JENAM-2010, которая прошла с 6 по 10 сентября в Лиссабоне. Научная же статья с подробным описанием проделанной работы направлена в авторитетный журнал Physical Review Letters и пока еще ожидает экспертной проверки.

Несимметричная Вселенная

Джон Уэбб, Виктор Фламбаум, Майкл Мёрфи и Ко тщательно проштудировали данные многолетних наблюдений за квазарами, экстремально яркими объектами Вселенной, которые представляют собой удаленные от нас на миллиарды световых лет галактики с массивными черными дырами в центре. На основании анализа спектра электромагнитного излучения квазаров ученые пришли к хулиганскому выводу: ПТС, которую также иногда называют для краткости альфой, меняет свое значение в различных участках Вселенной, причем это изменение носит плавный характер и происходит вдоль оси, проходящей от северной к южной части земного небосвода. Иными словами, как утверждают австралийцы, выявленная ими альфа-динамика хорошо вписывается в альтернативную дипольную модель Вселенной, по которой в одном направлении от нас Вселенная увеличивается, пускай и весьма незначительно, а в другом — уменьшается. Более того, если следовать Уэббу и его коллегам, напрашивается еще одно смелое умозаключение: не только ПТС (она равна квадрату заряда электрона, деленного на произведение постоянной Планка и скорости света), но и все остальные фундаментальные физические константы, по всей видимости, обладают различными значениями в разных участках космического пространства. И именно на местоположение нашей планеты каким-то чудесным образом пришлось идеальное соотношение константных величин, что дало возможность для возникновения и развития внутри этого пространства разумных форм жизни.

Одна из ключевых физических констант, ПТС, была впервые введена выдающимся немецким ученым-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом в 1916 году, то есть еще до создания квантово-механической теории. У Зоммерфельда она возникла в расчетах, описывающих специфическое расщепление энергетических уровней (и, соответственно, спектральных линий) электронов водородоподобного атома в знаменитой модели Нильса Бора. Такое расщепление называется тонкой структурой спектра, отсюда, собственно, и название константы. Позднее физики пришли к выводу, что его вызывает взаимодействие между орбитальным и спиновым моментами электрона, но, поскольку тогда понятия спина еще не существовало, Зоммерфельд рассматривал ПТС (обозначенную им греческой буквой a) как отношение скорости электрона на нижней (первой) круговой орбите к скорости света. То есть альфа — безразмерная величина, а ее численное значение оказалось очень близким к 1/137.

Физический смысл постоянной тонкой структуры радикально изменился после создания квантовой электродинамики. В этой теории электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом благодаря обмену виртуальными фотонами. И ПТС там уже используется в качестве безразмерного параметра, характеризующего интенсивность электромагнитного взаимодействия. На первых порах практически все замеры альфы без использования астрономических наблюдений говорили в пользу неизменности ее значения. Скажем, в результате сравнения данных, полученных при помощи измерений на чрезвычайно точных атомных часах, было установлено, что диапазон возможных вариаций значения ПТС относительно ее устоявшейся величины в 1/137,036 составляет всего миллионную долю от одной миллиардной.

Другой знаменитый эксперимент, связанный с анализом цепочек радиоактивного распада урана, прошел в уникальном природном ядерном реакторе, впервые обнаруженном в центральноафриканском Габоне в 1972 году в районе месторождения Окло. Этот нерукотворный реактор работал в режиме медленного кипения на протяжении почти двух миллионов лет, и, проведя эксперимент, ученые пришли к выводу, что значение альфы за все время существования «явления Окло» могло поменяться не более чем на одну стомиллионную.

Впрочем, в последние годы на столбовую дорогу экспериментальных исследований ПТС вышло изучение реликтов ранней Вселенной — квазаров. Свет, идущий к нам от этих сверхудаленных объектов, во время своего долгого пути фильтруется множеством попутных галактик, и, поскольку квазары излучают его в очень широком волновом диапазоне, окружающие эти галактики газовые скопления (межзвездные облака) поглощают часть света на специфических длинах волн, формируя информативные «штрихкоды». Эти «штрихкоды» позволяют астрофизикам выявлять характерный химический состав газовых облаков (наличие в них с соответствующим сдвигом по времени тех или иных элементов) и в конечном счете через присутствующую в спектрах поглощения тонкую структуру извлекать расчетную величину ПТС.

О чем рассказали квазары

Джон Уэбб, Виктор Фламбаум и их коллеги из Университета Нового Южного Уэльса были одними из первых в мире астрофизиков, затеявших в конце 1990-х годов систематические исследования квазаров с целью оценить возможные отклонения величины ПТС. И уже в 1999 году они совместно с британцем Майклом Мёрфи обнаружили свидетельства предположительного изменения альфы во времени. Используя данные, полученные обсерваторией Keck на Гавайских островах, ученые выявили частотные различия между спектральными линиями ряда квазаров, удаленных от Земли примерно на один миллиард световых лет, и аналогичными линиями, измеренными в современных лабораторных условиях.

Вскоре австралийско-британская группа представила обновленные результаты своих исследований нескольких сотен квазаров, расположенных в Северном полушарии земного небосвода. Данные, полученные при помощи спектрографов гавайской обсерватории, свидетельствовали, что миллиарды лет назад величина альфы была на одну стотысячную меньше, чем в настоящее время.

Однако научное сообщество тогда отнеслось к этим результатам с большим скепсисом. Более того, в 2004 году были опубликованы альтернативные данные, полученные на базе исследования спектра квазаров Очень Большим Телескопом (VLT) в Чили группой французских астрономов под руководством Патрика Птижана из парижского Астрофизического института. По ним выходило, что ПТС все-таки следует считать устойчивой константой. Расхождения в результатах экспериментов на Гавайях и в чилийском высокогорье потом на протяжении нескольких лет оставались предметом вялотекущих научных дискуссий астрофизиков, но к консенсусу так и не привели.

Уэбб со товарищи дополнительно проанализировали порядка полутора сотен квазаров в южной части небосвода при помощи чилийского телескопа VLT, и выданный ими итоговый вердикт был даже более сенсационным, чем в конце 1990-х. Значение ПТС 12 миллиардов лет назад по квазарам южной небесной полусферы на одну стотысячную превысило современное значение, тогда как заново пересчитанные данные по северной полусфере оказались практически аналогичными ранее сделанным оценкам. То есть величина «северной» альфы, напротив, на одну стотысячную отклонилась в меньшую сторону от текущей, измеренной в наземных лабораториях.

Если результаты австралийцев подтвердятся, все здание современной физики затрещит по швам. В частности, вариативность фундаментальных констант во времени и (или) пространстве находится в прямом противоречии с основополагающим принципом эквивалентности Эйнштейна. Под угрозой существенного пересмотра окажется и сама общая теория относительности.

Правда, от такой новой картины мироздания с «непостоянными постоянными» в большом выигрыше окажутся многочисленные сторонники альтернативной физической теории струн. Точнее, ее разнообразных модификаций, предсказывающих существование во Вселенной дополнительных пространственных измерений помимо привычных нам трех (в наиболее популярном варианте — еще семи, с учетом четвертого временного измерения). Дело в том, что согласно струнной теории реальное существование этих дополнительных скрытых измерений может быть косвенным образом подтверждено, в случае если пресловутые константы нашего «3D-мира» окажутся вовсе не постоянными величинами. Но даже если струнная теория и не станет новым символом веры, плавающие константы, безусловно, заставят физиков с удвоенной энергией заняться срочным поиском новых объединительных теорий. Причем одним из наиболее интригующих следствий сенсационного открытия австралийцев может стать дальнейшее его использование для объяснения возможных причин возникновения жизни на Земле.

Как отмечает в этой связи Виктор Фламбаум, «на протяжении многих лет мы не могли разрешить одну из самых больших загадок мироздания: почему именно на нашей планете сложились наиболее благоприятные условия для ускоренного развития белковых форм жизни. Уже сравнительно давно ученые установили, что даже очень незначительные отклонения вверх или вниз фундаментальных физических постоянных от существующих сегодня значений поставили бы под запрет земную эволюцию. То есть никакой человеческой расы просто не могло бы возникнуть. Например, если бы альфа была всего на четыре процента больше или меньше той ее величины, которую мы имеем здесь и сейчас, в недрах звезд не могли бы происходить термоядерные реакции синтеза ключевых химических элементов — углерода и кислорода. Наши эксперименты наконец дают одно из возможных объяснений этой загадки. Если фундаментальные константы на самом деле варьируются в различных точках космического пространства, то нашей планете просто посчастливилось оказаться в такой области Вселенной, где эти константы приняли наиболее благоприятные значения. А в прочих областях они, вполне возможно, воспрепятствовали возникновению схожих с земными форм жизни».

И все-таки поостережемся неумеренных восторгов по поводу очередной научной сенсации. Хотя бы потому, что до проведения целой серии аналогичных экспериментов доверять представленным Уэббом и его коллегами удивительным данным преждевременно. Так, в беседе с «Экспертом» член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией ИТЭФ им. Алиханова Михаил Высоцкий, который, как и многие его коллеги, отнесся к вестям из Австралии с большим недоверием, вполне резонно заметил, что «подобные подрывные научные публикации появляются с изрядной периодичностью, но потом, с течением времени, они, как правило, постепенно уходят в никуда, не находя подтверждения в новых опытах».

Тигран Оганесян

Источники:

1. expert.ru