10.06.2018

Физики наблюдали за ходом часов 14 лет подряд

Эксперимент Биджуната Патлы (Bijunath Patla) звучит скучно: собрать 12 самых точных часов по всему миру и наблюдать за ними. Задача «Не умереть со скуки — версия для физиков». Команда учёных, базирующаяся в Национальном институте стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) в Боулдере, штат Колорадо, начала наблюдение за часами 11 ноября 1999 г. Более 14 лет исследователи продолжали наблюдать за течением 450 миллионов секунд.

Но терпение окупилось. В статье, опубликованной в Nature Physics, раскрывается глубина результатов чрезвычайно монотонного эксперимента. Патла пишет, что ход часов на самом деле иллюстрирует один из самых фундаментальных принципов законов физики: ни время, ни место во Вселенной не существуют сами по себе. Это одна из основных идей общей теории относительности Эйнштейна, описывающей, как вокруг Солнца вращаются планеты и как гравитационные волны порождаются столкновением нейтронных звёзд. Законы физики применимы сегодня так же, как и 4,5 млрд лет назад, когда образовалась Луна, или в 2000 г., когда вы слушали группу Creed.

Это постоянство кажется очевидным. Бросьте мяч сегодня, и он приземляется так же, как вчера. Но можем ли мы быть уверены, что законы физики не меняются, хотя бы чуть-чуть каждый день? Это скрытое логическое допущение, которое лежит в основе всей науки. Мы предполагаем, что самолёт и дальше будет летать, потому что он всегда это делал, а сода и уксус останутся гарантией пышного пирога. Но что, если законы физики действительно меняются со временем, а мы просто слишком неуклюжи, чтобы это почувствовать?

«Изменения могут быть очень-очень маленькими», — считает физик Николас Юнес (Nicolas Yunes) из Университета штата Монтана (Montana State University), не участвовавший в эксперименте. Хотя все доказательства пока показывают постоянство законов физики, но всегда будет повод сомневаться. «Всё, что мы измеряем, является приблизительным, — говорит он. - Если вы измеряете расстояние с помощью линейки, то точность измерения будет зависеть от точности самой линейки».

Чтобы отследить законы изменения физики, необходимо с кропотливой точностью провести множество экспериментов, максимально разнесённых в пространстве. Если результаты когда-нибудь станут другими, то это повод предположить, что законы природы могли измениться. Задача Патлы: наблюдать за часами, до изнеможения, более 14 лет.

Его команда выбрала атомные часы, как одни из самых точных механизмов, когда-либо изобретённых людьми. Вместо того чтобы тикать по качанию маятника или вибрации в кварцевом кристалле, эти часы следуют за равномерными атомными колебаниями. Атомы излучают световые волны с постоянными колебаниями несколько миллиардов раз в секунду. Часы Патлы подсчитывают циклы света, которые настолько устойчивы, что погрешность составляет менее одной секунды за десятки миллионов лет.

Но команда Патлы не интересовалась временем — они изучали свет внутри часов, излучаемый атомами. Цвет этого света говорит о том, как структурирован исходный атом — как взаимодействуют его намагниченные ядро и электроны, заставляющие каждый компонент слегка толкать и тянуть друг друга.

Лаборатория Патлы выбрала изучение этого абстрактного явления из-за его высокой точности. Часы остаются в помещении с контролируемой температурой и влажностью, а атомы хранятся в вакуумной герметичной камере. Сотрудники NIST посменно управляют часами с особой тщательностью. «Если температура изменится более чем на 0,5 градуса, поступает сигнал тревоги о необходимости это исправить, — говорит Патла. — Большая часть работы автоматизирована, но необходимо как постоянное наблюдение, так и отслеживание звуковых сигналов». Команда Патлы может объяснить любое воздействие со стороны окружающей среды, которое только можно представить, например, гравитацию Земли.

Важно знать, одинаково ли магнитное взаимодействие для разных атомов, и для этого используют два разных типа часов: первые содержат атомы водорода, а вторые — более чем в 100 раз превосходящий водород по массе цезий. Испытуемая концепция похожа на апокрифический эксперимент Галилея, в котором он сбросил два объекта различной массы с Пизанской башни и обнаружил, что они падают с одинаковым ускорением. Патла хотел посмотреть на магнитные взаимодействия в двух разных атомах, состоящих из разного количества протонов, электронов и нейтронов — будут ли они вести себя одинаково во времени и пространстве.

С ноября 1999 по октябрь 2014 гг. велись наблюдения за этими магнитными взаимодействиями в различных местах, но без физического перемещения часов. Технически часы вместе с Землёй вращаются вокруг Солнца и постоянно меняют местоположение, каждый день перемещаясь в новую точку Вселенной. «Лаборатория 14 раз обернулась вокруг Солнца», — говорит Патла. Он не пытается усложнять задачу, эллиптическая орбита Земли автоматически обеспечивает различное расстояние от Солнца и меняющиеся условия эксперимента. В результате часы перемещаются через различные гравитационные поля.

Что в итоге? Субатомные частицы цезия и водорода сохранили постоянство своего движения в течение 14 лет в разных точках земной орбиты.

Хотя группа Патлы окончательно не доказала, что законы физики неизменны во времени и в пространстве, но было показано, что самые передовые технологии человечества за последние 14 лет не зафиксировали изменений в законах физики в нашей части Вселенной. И об универсальности таких выводов для всей Вселенной можно говорить уже с большей уверенностью.

«Справедливость выводов для местоположения Земли — это не слишком весомый аргумент для экстраполяции на всю Вселенную, — говорит физик Клиффорд Уилл (Clifford Will) из Флоридского университета (University of Florida), не принимавший участие в эксперименте. — Но это неплохое предположение, и есть некоторые доказательства того, что физика здесь и в других галактиках и в другое время должна быть одинаковой».

Уилл не удивляется результату. Если бы было обнаружено ежедневное изменение магнитных взаимодействий, это бы перевернуло теорию физики. «Но стоит расширять границы — вдруг что-то найдётся», — добавляет он.

Особенно важно подтверждение основ. Теория общей относительности Эйнштейна объясняет невероятно много о наблюдаемой части Вселенной, но не может объяснить всё: например, что такое тёмная материя, или почему Вселенная расширяется с ускорением. Теория неполна, а эти наблюдения помогут физикам понять больше.

Команда Патлы планирует повторный эксперимент с обновлёнными часами, точность которых в три раза выше. Подтолкнёт ли их это к новым идеям, объясняющим природу Вселенной — покажет время.

София Чэнь (Sophia Chen)

Источники:

1. 22century.ru