Физические константы меняются со временем?

Наука
мобильная версия
Результаты новых астрономических наблюдений свидетельствуют о том, что физические законы и константы не являются постоянными. Это открытие может стать предвестником глубоких перемен в научной картине мира.

В основе физических законов Вселенной лежит несколько так называемых «фундаментальных» постоянных. К их числу относятся, например, гравитационная постоянная, скорость света, элементарный заряд, масса покоя электрона. Одной из таких констант, играющих важную роль в астрофизике, является постоянная тонкой структуры, значение которой составляет 1/137,03599958. Эта константа, в свою очередь, представляет собой комбинацию трех других постоянных - заряда электрона, постоянной Планка и скорости света. Она определяет силу электромагнитных взаимодействий элементарных частиц и, вnbsp;частности, описывает расщепление атомных уровней на несколько близких подуровней.

Проблема постоянства физических законов и констант во времени относится к разряду основополагающих. Ответ на этот вопрос можно получить, наблюдая объекты Вселенной на сверхбольших расстояниях. Один из методов состоит в следующем. Свет далеких квазаров на своем пути пересекает облака газа, где частично поглощается. При этом в спектре появляются атомные уровни резонансного поглощения вещества облаков - они словно «выедают» линии в непрерывном спектре квазаров. Система линий каждого облака из-за расширения Вселенной имеет свое красное смещение, меньшее, чем у квазара, наблюдаемого сквозь облако, но все же соответствующее космологическим расстояниям и временам, то есть ранней Вселенной. Измеряя сразу несколько линий поглощения одного облака, можно определить значение постоянной тонкой структуры в далеком прошлом. Сравнивая эти измерения с аналогичными спектрами, полученными в лабораторных условиях на Земле, можно определить относительное изменение постоянной.

Идея проверки постоянной тонкой структуры высказывалась еще в 1950-1960 годах российским физиком Ландау и американским физиком российского происхождения Гамовым, но только с усовершенствованием техники спектрального анализа оказалось возможным осуществить ее на практике – относительное изменение постоянной оценивается на уровне от тысячных до миллионных долей. В настоящее время этим вопросом занимаются несколько исследовательских групп.

Одна из них под руководством Патрика Птижана (Patrick Petitjean) из Парижского астрофизического института в 2004 г., изучив данные наблюдений 18 квазаров при помощи 8,2 метрового телескопа обсерватории Парана в Чили, пришла к выводу о том, что постоянная тонкой структуры стабильна с высокой точностью. В апреле 2005 г. этот результат был подтвержден Джеффри Ньюменом (Jeffrey Newman) из национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли на основании изучения эмиссионных спектров галактик – правда, лишь до расстояния 7 млрд. световых лет. Однако, как сообщает ScienceDaily, результаты последних наблюдений еще более далеких квазаров, выполненные под руководством Майкла Мэрфи (Michael Murphy) из Кембриджского университета при помощи крупнейшего в мире 10-метрового телескопа обсерватории Кек на Гавайских островах, опровергают их. Согласно этим данным, 8-10 млрд. лет назад значение постоянной тонкой структуры было меньше приблизительно на 0,00002 ее современного значения. Этот результат был обнародован на международной конференции «Физика 2005» и вызвал настоящую сенсацию в научном мире прежде всего потому, что исследование Мэрфи является наиболее достоверным по точности и полноте из проведенных до сих пор. Оно включает анализ по данным от 68 квазаров спектров поглощения различных многократно ионизованных элементов – таких, как магний, железо, никель, хром, цинк, алюминий и кремний в 128  межгалактических облаках. Авторы исключают наличие систематических ошибок и заявляют, что их метод дает примерно 10-кратное превосходство в точности по сравнению с ранее использовавшимися исследованиями.

«Если это открытие подтвердится, оно окажет революционное влияние на всю современную физическую картину мира от субатомного до макроскопического уровней, - утверждает г-н Мэрфи. - Это связано с тем, что в данный момент наше понимание Вселенной основано на так называемой «стандартной модели», которая изначально не предполагает изменение физических законов. Ее пересмотр приведет к необходимости создания нового математического аппарата для описания более обобщенной картины мира, о которой мы пока даже не подозреваем. Однако, возможно, современная наука уже приблизилась к этому. В частности, в теории струн или М-теории, где сделана попытка объединить все известные силы в природе (гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия), предполагается изменение значений фундаментальных постоянных, а также постулируя существование дополнительных измерений пространства – до 20. Согласно этим экзотическим теориям, дополнительные измерения находятся в «свернутом» состоянии и имеют свойство менять масштаб с течением времени, что проявляется в виде изменения фундаментальных постоянных».

Тем не менее, подчеркивает автор открытия, «экстраординарные утверждения нуждаются в экстраординарных доказательствах». «Конечно, в будущем можно повторить наши наблюдения на другом, более совершенном телескопе, - считает г-н Мэрфи, - чтобы убедиться в отсутствии систематических ошибок. Но более убедительным свидетельством может стать эксперимент совершенно иного типа – например, сверхточное измерение флуктуаций реликтового излучения или точное определение содержания элементов, которые образовались в результате Большого Взрыва».