«Підведемо деякі підсумки. Довідник «Таблиці фізичних величин» (М.: Атоміздат, 1976) містить 1005 сторінок тексту та багато мільйонів чисел; як у них розібратися?

Ці величини діляться принаймні чотири типи.

а) Природні одиниці виміру, чи фізично зазначені точки спектрів. Це не числа, а такі величини, як G, с, h, m е, е (заряд електрона). Це - розмірні характеристики деяких явищ, що піддаються відтворенню багаторазово, високим ступенемточності. Це відображення того, що природа тиражує елементарні ситуації величезними серіями. Роздуми над тотожністю подібних цеглин світобудови приводили іноді до таких глибоких фізичних ідей, як статистики Бозе-Ейнштейна та Фермі-Дірака. Фантастична думка Уїлера, що всі електрони тотожні тому, що є миттєвими перерізами заплутаної в клубок світової лінії одного електрона, привела Фейнманадо витонченого спрощення діаграмної техніки обчислень у квантовій теорії поля.

б) Справжні, чи безрозмірні, константи. Це - відносини кількох зазначених точок на спектрі величини однієї розмірності, наприклад, відношення мас електричних частинок: ми вже згадували m p / m e. Ототожнення різних розмірностей з урахуванням нового закону, т. е. редукція групи розмірностей, призводить до об'єднання передусім різних спектрів і необхідності пояснювати нові числа.

Наприклад, розмірності m e ,с і h породжують групу Ньютона і тому призводять до природних атомних одиниць розмірностей М, L, Т, як і одиниці Планка. Тому їхні стосунки до планківських одиниць потребують теоретичного пояснення, Але, як ми говорили, це неможливо, поки відсутня (G, с, h)-теорія. Однак і в (m е, с, h)-теорії - квантової електродинаміки - є безрозмірна величина, значенню якої сучасна квантова електродинаміка в певному сенсі слова має своє існування. Помістимо два електрони на відстані h/m е c (так звана комптонівська довжина хвилі електрона) і виміряємо відношення енергії їхнього електростатичного відштовхування до енергії m е c 2 еквівалентній масі спокою електрона. Вийде число а = 7,2972 х 10 -3 ≈ 1/137. Це - знаменита постійна тонка структура.

Квантова електродинаміка описує, зокрема, процеси, у яких не зберігається кількість частинок: вакуум народжує електрон-позитронні пари, вони анігілюють. Через те, що енергія народження (не менша, ніж 2m е c 2) у сотні разів більша за енергію характерної кулонівської взаємодії (завдяки значенню а), вдається провести ефективну схему обчислень, в якій ці радіаційні поправки не відкидаються начисто, але й не "псують життя" теоретика безнадійно.

Теоретичного пояснення величини не існує. У математиків є свої чудові спектри: спектри виділених лінійних операторів-генераторів простих груп Лі в неприведених уявленнях, обсяги фундаментальних областей, розмірності просторів гомології та когомологій тощо. , що обмежують вибір. Але повернемося до константів.

Наступний їх тип, що займає багато місця в таблицях, це:

в) Коефіцієнти перерахунку з одних масштабів до інших, наприклад, з атомних до «людських». До них відносяться: вже згадане число Авогадро N 0 = 6,02 х 10 23 - по суті, один грам, виражений в одиницях маса протона, хоча традиційне визначення трохи інше, а також такі речі, як світловий рік в кілометрах. Найбільш огидні для математика тут, звичайно, коефіцієнти переходу від одних фізично безглуздих одиниць до інших, настільки ж безглуздих: від ліктів до футів або Реомюра до Фаренгейту. Іноді це найголовніші числа; як мудро зауважив Вінні-Пух: "Не знаю, скільки в ньому літрів, і метрів, і кілограм, але тигри, коли вони стрибають, величезними здаються нам".

г) "Дифузні спектри". Це - характеристика матеріалів (не елементів чи чистих сполук, а звичайних технологічних марок сталі, алюмінію, міді), астрономічні дані (маса Сонця, діаметр Галактики...) і багато хто в тому ж таки роді. Природа виробляє каміння, планети, зірки і Галактики, не дбаючи про їхню однаковість, на відміну від електронів, але все ж таки їх характеристики змінюються лише в досить певних межах. Теоретичні пояснення цих «дозволених зон», коли вони відомі, бувають чудово цікавими та повчальними».

Манін Ю.І., Математика як метафора, М., «Видавництво МЦНМО», 2010, с. 177-179.

Константа взаємодії

Матеріал із вільної російської енциклопедії «Традиція»

Константа взаємодії(іноді використовується термін константа зв'язку) - параметр у теорії поля, що визначає відносну силу будь-якої взаємодії частинок чи полів. У квантовій теорії поля константи взаємодії пов'язані з вершинами на відповідних діаграмах взаємодії. Як констант взаємодії використовуються як безрозмірні параметри, так і пов'язані з ними величини, що характеризують взаємодії та мають розмірність. Прикладами є безрозмірна електромагнітна взаємодія та електричний , що вимірюється в Кл.

1 Порівняння взаємодій 1.1 Гравітаційна взаємодія 1.2 Слабка взаємодія 1.3 Електромагнітна взаємодія 1.4 Сильна взаємодія 2 Константи у квантовій теорії поля 3 Константи в інших теоріях 3.1 Теорія струн 3.2 Сильна гравітація 3.3 Взаємодія на рівні зірок 4 Посилання 5 Див. також 6 Література 7 Додаткові посилання

Порівняння взаємодій

Якщо вибрати об'єкт, що бере участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях, то значення безрозмірних констант взаємодій цього об'єкта загальному правилу, Покажуть відносну силу даних взаємодій Як такий об'єкт на рівні елементарних частинок найчастіше використовується протон. Базовою енергією для порівняння взаємодій є електромагнітна енергія фотона, що за визначенням дорівнює:

де - , - швидкість світла, - Довжина хвилі фотона. Вибір енергії фотона невипадковий, оскільки в основі сучасної наукилежить хвильове уявлення, засноване на електромагнітних хвилях. З їх допомогою виробляються всі основні виміри – довжини, часу і навіть енергії.

Гравітаційна взаємодія

Слабка взаємодія

Енергія, пов'язана зі слабкою взаємодією, може бути представлена ​​в наступному вигляді:

де - ефективний заряд слабкої взаємодії, - маса віртуальних частинок, які вважаються переносником слабкої взаємодії (W-і Z-бозони).

Квадрат ефективного заряду слабкої взаємодії для протона виражається через постійну Фермі Дж м 3 і масу протону:

На досить малих відстанях експонентою енергії слабкої взаємодії можна знехтувати. У такому разі безрозмірна константа слабкої взаємодії визначається так:

Електромагнітна взаємодія

Електромагнітна взаємодія двох нерухомих протонів описується електростатичною енергією:

де - , - .

Відношення цієї енергії до енергії фотона визначає константу електромагнітної взаємодії, відому як:

Сильна взаємодія

На рівні адронів у стандартній моделі фізики елементарних частинок розглядається як «залишкова» взаємодія, що входять до адронів. Передбачається, що глюони як переносники сильної взаємодії породжують віртуальні мезони у просторі між адронами. У півонії-нуклонної моделі Юкави ядерні сили між нуклонами пояснюються як результат обміну віртуальними півонями, а енергія взаємодії має такий вигляд:

де - ефективний заряд псевдоскалярної півонії-нуклонної взаємодії, - маса півонії.

Безрозмірна константа сильної взаємодії дорівнює:

Константи у квантовій теорії поля

Ефекти взаємодій у теорії поля часто визначаються за допомогою теорії збурень, у якій здійснюється розкладання функцій у рівняннях за ступенями константи взаємодії. Зазвичай всім взаємодій, крім сильного, константа взаємодії значно менше одиниці. Це робить застосування теорії збурень ефективним, оскільки внесок від старших членів розкладів швидко зменшується та його обчислення стає непотрібним. У разі сильної взаємодії теорія обурень стає непридатною і потрібні інші методи розрахунків.

Одним із передбачень квантової теорії поля є так званий ефект «констант, що пливуть», згідно з яким константи взаємодій повільно змінюються зі збільшенням енергії, що передається в ході взаємодії частинок. Так, константа електромагнітної взаємодії збільшується, а константа сильної взаємодії – зменшується із зростанням енергії. Для кварків у квантовій хромодинаміці вводиться своя константа сильної взаємодії:

де - ефективний заряд кольору кварка, що випускає віртуальні глюони для здійснення взаємодії з іншим кварком. При зменшенні відстані між кварками, що досягається при зіткненнях частинок з великою енергією, очікується логарифмічне зменшення та ослаблення сильної взаємодії (ефект асимптотичної свободи кварків). На масштабі енергії, що передається, порядку маси-енергії Z-бозону (91,19 ГеВ) знаходиться, що На цьому ж масштабі енергій константа електромагнітної взаємодії збільшується до порядку 1/127 замість ≈1/137 при малих енергіях. Передбачається, що при ще більших енергіях, порядку 10 18 ГеВ, значення констант гравітаційної, слабкої, електромагнітної та сильної взаємодій частинок зблизяться і можуть стати приблизно рівними один одному.

Константи в інших теоріях

Теорія струн

Теоретично струн константи взаємодії вважаються не постійними величинами, а носять динамічний характер. Зокрема, та сама теорія при малих енергіях виглядає так, що струни рухаються в десяти вимірах, а при великих енергіях - в одинадцяти. Зміна числа вимірювань супроводжується зміною констант взаємодії.

Сильна гравітація

Спільно з електромагнітними силами вважаються основними компонентами сильної взаємодії в . У даній моделі замість розгляду взаємодії кварків і глюонів враховуються лише два фундаментальні поля – гравітаційне та електромагнітне, які діють у зарядженій та володіючій масою речовині елементарних частинок, а також у просторі між ними. При цьому кварки і глюони відповідно вважаються не реальними частинками, а квазічастинками, що відображають квантові властивості та симетрії, властиві адронній речовині. Даний підхід різко скорочує рекордну для фізичних теорій кількість фактично не обгрунтованих, але вільних параметрів, що постулюються, в стандартній моделі фізики елементарних частинок, в якій налічується не менше 19 таких параметрів.

Іншим наслідком є ​​те, що слабка та сильна взаємодії не вважаються самостійними польовими взаємодіями. Сильна взаємодія зводиться до комбінацій гравітаційних і електромагнітних сил, у яких велику роль відіграють ефекти запізнення взаємодій (дипольні та орбітальні поля кручення та магнітні сили). Відповідно константа сильної взаємодії визначається за аналогією з константою гравітаційної взаємодії:

Корисно розібратися якісь взагалі постійні фундаментальні. Ось є, наприклад, швидкість світла. Фундаментальний сам факт, що вона кінцева, а не її значення. У тому сенсі що ми так визначили відстань та час що вона така. В інших одиницях вона була б іншою.

А що тоді фундаментально? Безрозмірні відносини та характерні сили взаємодії, що описуються безрозмірними константами взаємодії. Грубо кажучи, константи взаємодії характеризують можливість якогось процесу. Наприклад, електромагнітна константа характеризує з якою ймовірністю електрон розсіється на протоні.

Подивимося, як можна логічно побудувати розмірні величини. Можна ввести відношення мас протону та електрона та конкретну константу електромагнітної взаємодії. У нашому Всесвіті з'являться атоми. Можна взяти конкретний атомний перехід і взяти частоту випромінюваного світла і міряти все в періоді коливань світла. Ось визначилась одиниця часу. Світло за цей час пролетить якусь відстань, от вийшла одиниця відстані. Фотон з такою частотою має якусь енергію, вийшла одиниця енергії. А далі сила електромагнітної взаємодії така, що розмір атома стільки в наших нових одиницях. Ми вимірюємо відстань як відношення часу прольоту світла через атом до періоду коливань. Ця величина залежить лише від сили взаємодії. Якщо тепер визначити швидкість світла як відношення розмірів атома до періоду коливань, ми отримаємо число, але воно не є фундаментальним. Секунда та метр – характерні масштаби часу та відстаней для нас. Вони ми міряємо швидкість світла, та її конкретне значення фізичного сенсу несе.

Думковий експеримент, нехай є інший всесвіт, де метр рівно вдвічі більший за наш, але всі фундаментальні постійні і стосунки ті ж самі. Тоді для поширення взаємодій потрібно вдвічі більше часу, і істоти, схожі на людей, сприйматимуть секунду вдвічі повільніше. Вони, ясна річ, це ніяк не відчують. Коли вони поміряють швидкість світла, вони отримають те саме значення, що й ми. Тому що міряють у своїх характерних метрах та секундах.

Тому фізики не надають фундаментального значення, тому що швидкість світла 300 000 км/с. А константі електромагнітної взаємодії так званої постійної тонкої структури (вона дорівнює приблизно 1/137) надають.

Більше того, звичайно ж, константи фундаментальних взаємодій (електромагнетизму, сильних і слабких взаємодій, гравітації), пов'язані з відповідними процесами, залежать від енергій цих процесів. Електромагнітне взаємодія масштабі енергій порядку маси електрона одне, але в масштабі порядку маси бозона Хіггса інше, вище. Сила електромагнітної взаємодії зростає з енергією. Але те, як константи взаємодій змінюються з енергією, можна обчислити, знаючи які частки у нас є і які у них співвідношення властивостей.

Тому щоб повністю описати фундаментальні взаємодії на нашому рівні розуміння, достатньо знати який набір частинок у нас є, співвідношення мас елементарних частинок, константи взаємодії на якомусь одному масштабі, наприклад, на масштабі маси електрона, та співвідношення сил, з якими кожна конкретна частка взаємодіє даною взаємодією, в електромагнітному випадку це відповідає співвідношенню зарядів (заряд протона дорівнює заряду електрона, тому що сила взаємодії електрона з електроном збігається з силою взаємодії електрона з протоном, якби він був у два рази більший, то і сила була б вдвічі більша , сила міряється, повторююсь, у безрозмірних ймовірностях). Питання зводиться до того, чому вони такі.

Тут усе незрозуміло. Деякі вчені вірять, що з'явиться більш фундаментальна теорія з якої слідуватиме як співвідносяться маси, заряди та інше. Останнім у сенсі відповідають теорії великого об'єднання. Деякі вірять, що діє антропний принцип. Тобто якби фундаментальні постійні були іншими, нас би в такому всесвіті просто не було б.

Який неймовірно дивний був би світ, якби фізичні константи могли змінюватися! Наприклад, так звана стала тонкої структури приблизно дорівнює 1/137. Якби вона мала іншу величину, то між речовиною та енергією, можливо, не було б жодної різниці.

Є речі, які ніколи не змінюються. Вчені називають їх фізичними константами, чи світовими постійними. Вважається, що швидкість світла $c$, гравітаційна стала $G$, маса електрона $m_e$ і деякі інші величини завжди і скрізь залишаються незмінними. Вони утворюють основу, де грунтуються фізичні теорії, і визначають структуру Всесвіту.

Фізики докладають чимало зусиль, щоб виміряти світові постійні з дедалі вищою точністю, але нікому ще вдалося хоч якось пояснити, чому їх значення саме такі, які є. У системі СІ $c = 299792458$ м/с, $G = 6,673\cdot 10^(–11)Н\cdot$м$^2$/кг$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( –31)$ кг – зовсім пов'язані між собою величини, які мають лише одне загальне властивість: змінися вони хоч трохи, і існування складних атомних структур, зокрема живих організмів, виявиться під великим питанням. Прагнення обґрунтувати значення констант стало одним із стимулів до розробки єдиної теорії, що повністю описує всі існуючі явища. З її допомогою вчені сподівалися показати, що кожна світова постійна може мати лише одне можливе значення, обумовлене внутрішніми механізмами, які визначають оманливу довільність природи.

Кращим кандидатом на звання єдиної теорії вважається М-теорія (варіант теорії струн), яку можна вважати заможною в тому випадку, якщо Всесвіт має не чотири просторово-часові виміри, а одинадцять. Отже, постійні нами фактично можуть і не бути дійсно фундаментальними. Справжні константи існують у повному багатовимірному просторі, а бачимо лише їхні тривимірні «силуети».

ОГЛЯД: СВІТОВІ КОНСТАНТИ

1. У багатьох фізичних рівняннях зустрічаються величини, які вважаються незмінними усюди – у просторі та часі.

2. Останнім часом вчені сумніваються у сталості світових констант. Порівнюючи результати спостережень квазарів та лабораторних вимірів, вони приходять до висновку, що хімічні елементиу минулому поглинали світло негаразд, як сьогодні. Відмінність можна пояснити зміною кілька мільйонних часток постійної тонкої структури.

3. Підтвердження навіть такої малої зміни стане справжнім переворотом у науці. Спостерігаючі константи можуть виявитися лише «силуетами» справжніх постійних, що існують у багатовимірному просторі-часі.

Тим часом фізики дійшли висновку, що величини багатьох постійних можуть бути результатом випадкових подій та взаємодій між елементарними частинками на ранніх стадіях історії Всесвіту. Теорія струн допускає існування величезної кількості ($10^(500)$) світів з різними самоузгодженими наборами законів та констант ( див. «Пейзаж теорії струн», «Світ науки», №12, 2004 р.). Поки що вчені поняття не мають, чому було відібрано нашу комбінацію. Можливо, в результаті подальших досліджень кількість логічно можливих світів знизиться до одного, але не виключено, що наш Всесвіт – це лише невелика ділянка мультивсесвіту, в якій реалізовані різні рішення рівнянь єдиної теорії, а ми спостерігаємо просто один із варіантів законів природи ( див. «Паралельні Всесвіти», «У світі науки», №8, 2003 р.).У такому разі для багатьох світових констант немає жодного пояснення, крім того, що вони становлять рідкісну комбінацію, що допускає розвиток свідомості. Можливо, спостережуваний нами Всесвіт став одним із багатьох ізольованих оаз, оточених нескінченністю неживого космічного простору – сюрреалістичного місця, де панують зовсім чужі нам сили природи, а частинки типу електронів і структури типу атомів вуглецю та молекул ДНК просто неможливі. Спроба потрапити туди обернулася б неминучою загибеллю.

Теорія струн була розроблена в тому числі і для того, щоб пояснити довільність фізичних постійних, тому в її основних рівняннях міститься всього кілька довільних параметрів. Але поки вона не пояснює значення констант, що спостерігаються.

Надійна лінійка

Насправді вживання слова "постійна" не зовсім правомірне. Наші константи могли б змінюватися в часі та просторі. Якби додаткові просторові виміри змінювалися у розмірі, константи у нашому тривимірному світі змінювалися б разом із ними. І якби ми заглянули досить далеко у простір, то могли б побачити області, де константи набули інших значень. Починаючи з 1930-х років. вчені міркували у тому, що константи можуть і бути постійними. Теорія струн надає цій ідеї теоретичну правдоподібність і робить тим важливішим пошук непостійності.

Перша проблема полягає в тому, що сама лабораторна установка може бути чутливою до змін констант. Розміри всіх атомів могли б зрости, але якби лінійка, яку використовують для вимірювань, теж стала б довшою, нічого не можна було б сказати про зміну розмірів атомів. Експериментатори зазвичай припускають, що зразки величин (лінійки, гирі, годинник) незмінні, але цього неможливо досягти під час перевірки констант. Дослідники повинні звернути увагу на безрозмірні константи – просто числа, які не залежать від системи одиниць виміру, наприклад, відношення маси протона до маси електрона.

Чи змінюється внутрішня будова світобудови?

Особливий інтерес представляє величина $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, що поєднує швидкість світла $c$, електричний заряд електрона $e$, постійну Планка $h$ і так звану постійну діелектричну вакууму $\epsilon_0$. Її називають постійною тонкою структурою. Вперше вона була введена в 1916 р. Арнольдом Зоммерфельдом, який одним із перших спробував застосувати квантову механікудо електромагнетизму: $\alpha$ пов'язує релятивістську (c) і квантову (h) характеристики електромагнітних (e) взаємодій, у яких беруть участь заряджені частинки в порожньому просторі ($epsilon_0$). Вимірювання показали, що ця величина дорівнює 1/137,03599976 (приблизно 1/137).

Якби $\alpha$ мала інше значення, то змінився весь оточуючий світ. Будь вона меншою, щільність твердої речовини, Що складається з атомів, зменшилася б (про порційно $ \ alpha ^ 3 $), молекулярні зв'язки розривалися б при більш низьких температурах ($ \ alpha ^ 2 $), а число стійких елементів в таблиці Менделєєва могло б зрости ($ 1 / \ alpha $). Виявися $\alpha$ занадто великий, малі атомні ядра не могли б існувати, тому що ядерні сили, що їх пов'язують, не змогли б перешкоджати взаємному відштовхуванню протонів. За $\alpha >0.1 $ було б існувати вуглець.

Ядерні реакції у зірках особливо чутливі до величини $ alfa $. Щоб міг відбуватися ядерний синтез, тяжіння зірки має створювати достатньо високу температуру, щоб змусити ядра зближуватися, незважаючи на їхню тенденцію відштовхуватися один від одного. Якби $\alpha$ перевищувала 0,1, то синтез був би неможливий (якщо, звичайно, інші параметри, наприклад, відношення мас електрона та протона залишилися колишніми). Зміна $\alpha$ всього на 4% настільки вплинула б на енергетичні рівні в ядрі вуглецю, що його виникнення в зірках просто припинилося б.

Використання ядерних методів

Друга, серйозніша, експериментальна проблема пов'язані з тим, що з вимірювання змін констант потрібно високоточне устаткування, що має бути надзвичайно стабільним. Навіть за допомогою атомного годинника дрейф постійної тонкої структури можна відстежувати протягом декількох років. Якби $\alpha $ змінювалася більше ніж на 4 $\cdot$ $10^(–15)$ за три роки, найточніший годинник дозволив би це виявити. Однак нічого подібного поки що зареєстровано не було. Здавалося б, що не підтвердження сталості? Але три роки для космосу – мить. Повільні, але суттєві зміни в історії Всесвіту можуть пройти непоміченими.

СВІТЛО І ПОСТОЯНА ТОНКОЇ СТРУКТУРИ

На щастя, фізики знайшли інші методи перевірки. У 1970-х роках. вчені французької Комісії з ядерної енергії помітили деякі особливості в ізотопному складі руди з уранової шахти в Окло в Габоні ( Західна Африка): вона нагадувала відходи ядерного реактора. Очевидно, приблизно 2 млрд. років тому в Окло утворився природний ядерний реактор. див. "Божественний реактор", "У світі науки", №1, 2004 р.).

У 1976 р. Олександр Шляхтер (Alexander Shlyakhter) із Ленінградського інституту ядерної фізики зауважив, що працездатність природних реакторів критично залежить від точної енергії певного стану ядра самарію, що забезпечує захоплення нейтронів. А сама енергія сильно пов'язана з величиною $ alfa $. Так, якби стала тонкою структурою була трохи інша, ніяка ланцюгова реакція, можливо, не відбулася б. Але вона дійсно відбувалася, а значить, за минулі 2 млрд. років постійна не змінилася більше, ніж на 1 $ $ $ 10 (-8) $. (Фізики продовжують сперечатися про точні кількісні результати через неминучу невпевненість в умовах природного реактора.)

У 1962 р. Джеймс Піблс (P. James E. Peebles) і Роберт Дік (Robert Dicke) з Прінстонського університету першими застосували подібний аналіз до древніх метеоритів: відносна поширеність ізотопів, що є результатом їхнього радіоактивного розпаду, залежить від $ alpha $. Найчутливіше обмеження пов'язане з бета-розпадом при перетворенні ренію на осмій. Згідно з недавньою роботою Кейта Оліва (Keith Olive) з Міннесотського університету та Максима Поспелова (Maxim Pospelov) з Університету Вікторії в Британській Колумбії, у той час, коли формувалися метеорити, $\alpha$ відрізнялася від нинішнього значення на 2 $\cdot$ $10^ (-6) $. Цей результат менш точний, ніж дані, отримані в Окло, але він йде далі в глибину часів, до виникнення Сонячна система 4,6 млрд років тому.

Щоб дослідити можливі зміни на ще довших проміжках часу, дослідники повинні звернути погляд до небес. Світло від віддалених астрономічних об'єктів йде до наших телескопів мільярди років і несе відбиток законів та світових констант тих часів, коли він лише розпочав свою подорож та взаємодію з речовиною.

Спектральні лінії

Астрономи вплуталися в історію з константами невдовзі після відкриття квазарів у 1965 р., які були щойно виявлені та ідентифіковані як яскраві джерела світла, розташовані на величезних відстанях від Землі. Оскільки шлях світла від квазара до нас настільки великий, він неминуче перетинає газоподібні околиці молодих галактик. Газ поглинає світло квазара на специфічних частотах, віддруковуючи штрих-код із вузьких ліній на його спектрі (див. урізання внизу).

ПОШУК ЗМІН У ВИПРОМІНЮВАННІ КВАЗАРУ

Коли газ поглинає світло, електрони, що містяться в атомах, перескакують із низьких. енергетичних рівнівбільш високі. Рівні енергії визначаються тим, наскільки атомне ядро ​​утримує електрони, що залежить від сили електромагнітної взаємодії між ними і, отже, від постійної тонкої структури. Якщо вона була іншою в той момент часу, коли світло було поглинене, або в якійсь конкретній області Всесвіту, де це відбувалося, то енергія, необхідна для переходу електрона на новий рівень, і довжини хвиль переходів, що спостерігаються в спектрах, повинні відрізнятися від спостерігаються сьогодні у лабораторних експериментах. Характер зміни довжин хвиль критично залежить від розподілу електронів на атомних орбітах. При заданій зміні $ \ alpha $ одні довжини хвиль зменшуються, інші - збільшуються. Складну картину ефектів важко переплутати з помилками калібрування даних, що робить такий експеримент надзвичайно корисним.

Починаючи сім років тому, ми зіткнулися з двома проблемами. По-перше, довжини хвиль багатьох спектральних ліній були виміряні з достатньою точністю. Як не дивно, про спектри квазарів, віддалені на мільярди світлових років, вчені знали набагато більше, ніж про спектри земних зразків. Нам потрібні були лабораторні виміри високої точності, щоб порівняти з ними спектри квазара, і ми переконали експериментаторів провести відповідні виміри. Вони були виконані Енн Торн (Anne Thorne) та Джульєт Пікерінг (Juliet Pickering) з Імперського коледжу в Лондоні, а потім групами на чолі зі Свенериком Йохансоном (Sveneric Johansson) з Лундської обсерваторії у Швеції, а також Ульфом Грісманном (Ulf Gries) Клінгом (Rainer Kling) з Національного інституту стандартів та технології у штаті Меріленд.

Друга проблема полягала в тому, що попередні спостерігачі використовували так звані лужні дублети – пари ліній поглинання, що виникають у атомарних газах вуглецю чи кремнію. Вони порівнювали інтервали між цими лініями у спектрах квазара з лабораторними вимірами. Однак такий метод не дозволяв використовувати одне специфічне явище: варіації $ alfa $ викликають не тільки зміна інтервалу між рівнями енергії атома щодо рівня з найнижчою енергією (основний стан), але і зміна положення самого основного стану. Фактично другий ефект навіть сильніший, ніж перший. У результаті точність спостережень становила лише 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

У 1999 р. один із авторів статті (Веб) та Віктор Фламбаум (Victor V. Flambaum) з Університету Нового Південного Уельсу в Австралії розробили методику, що дозволяє брати до уваги обидва ефекти. В результаті чутливість вдалося збільшити у 10 разів. Крім того, з'явилася можливість порівнювати різні видиатомів (наприклад, магній та залізо) та проводити додаткові перехресні перевірки. Довелося виконати складні розрахунки, щоб точно встановити, як довжини хвиль, що спостерігаються, змінюються в атомах різних типів. Озброївшись сучасними телескопами та датчиками, ми вирішили перевірити сталість $\alpha$ з безпрецедентною точністю за новим методом багатьох мультиплетів.

Перегляд поглядів

Приступаючи до експериментів, ми просто хотіли з більш високою точністю встановити, що величина постійної тонкої структури в давнину була такою самою, як сьогодні. На наш подив, результати, отримані в 1999 р., показали невеликі, але статистично суттєві відмінності, які згодом підтвердилися. Використовуючи дані по 128 лініях поглинання квазара, ми зареєстрували збільшення $ alpha $ на 6 $ cdot $ $ 10 ^ (-6) $ за минулі 6-12 млрд. років.

Результати вимірювань постійної тонкої структури не дозволяють зробити остаточні висновки. Деякі з них вказують, що колись вона була меншою, ніж зараз, а деякі – ні. Можливо, α змінювалась у далекому минулому, але тепер стала постійною. (Прямокутники зображують діапазон змін даних.)

Сміливі твердження вимагають заможних доказів, тому першим нашим кроком став ретельний перегляд методів збору даних та їх аналізу. Помилки виміру можна розділити на два типи: систематичні та випадкові. Зі випадковими неточностями все просто. У кожному окремому вимірі вони приймають різні значення, які за великої кількості вимірів усереднюються і прагнуть нуля. З систематичними помилками, що не усереднюються, боротися важче. В астрономії невизначеності такого роду трапляються на кожному кроці. У лабораторних експериментах налаштування приладів можна змінювати, щоб мінімізувати помилки, але астрономи не можуть «підлаштувати» Всесвіт, і їм доводиться визнавати, що всі їх методи збору даних містять непереборні зсуви. Наприклад, просторовий розподіл галактик, що спостерігається, помітно зміщений у бік яскравих галактик, тому що їх легше спостерігати. Ідентифікація та нейтралізація таких зсувів – постійне завдання для спостерігачів.

Спочатку ми звернули увагу на можливе спотворення масштабу довжин хвиль, щодо якого вимірювалися спектральні лінії квазара. Воно могло виникнути, наприклад, під час переробки «сирих» результатів спостереження квазарів у спектр, що калібрується. Хоча просте лінійне розтягування або стиснення масштабу довжини хвилі не могло точно імітувати зміну $\alpha$, навіть приблизної схожості було б достатньо для пояснення отриманих результатів. Поступово ми виключили прості помилки, пов'язані з спотвореннями, підставляючи замість результатів спостереження квазара калібрувальні дані.

Більше двох років ми розбиралися з різними причинами усунення, щоб переконатися, що їхній вплив знехтує мало. Ми виявили лише одне потенційне джерело серйозних помилок. Йдеться лініях поглинання магнію. Кожен із трьох стійких його ізотопів поглинає світло з різними довжинами хвиль, які дуже близькі один до одного та в спектрах квазарів видно як одна лінія. Виходячи з лабораторних вимірів відносної поширеності ізотопів, дослідники судять про внесок кожного з них. Їх розподіл у молодому Всесвіті міг би суттєво відрізнятися від сучасного, якби зірки, які випускали магній, у середньому були важчими, ніж їхні сьогоднішні аналоги. Такі відмінності могли б імітувати зміну $\alpha$.Але результати дослідження, опублікованого цього року, вказують, що факти, що спостерігаються, не так легко пояснити. Йеш Феннер (Yeshe Fenner) та Бред Гібсон (Brad K. Gibson) з Технологічного університету Суінберна в Австралії та Майкл Мерфі (Michael T. Murphy) з Кембриджського університету дійшли висновку, що поширеність ізотопів, необхідна для імітації зміни $\alpha$, приводила б також до надмірного синтезу азоту в ранньому Всесвіті, що зовсім не відповідає спостереженням. Таким чином, ми повинні змиритися з ймовірністю того, що $ \ alpha $ дійсно змінювалася.

Іноді змінюється, іноді - немає

Згідно з гіпотезою, висунутою авторами статті, в одні періоди космічної історії постійна тонкої структури залишалася незмінною, а в інші – зростала. Експериментальні дані (див. попереднє врізання) узгоджуються з цим припущенням.

Наукове співтовариство відразу оцінило значення отриманих нами результатів. Дослідники спектрів квазарів всього світу відразу ж зайнялися вимірами. У 2003 р. науково-дослідні групи Сергія Левшакова (Sergei Levshakov) із Санкт-Петербурзького фізикотехнічного інституту ім. Іоффе та Ральфа Кваста (Ralf Quast) з Гамбурзького університету вивчили три нові системи квазарів. Минулого року Хам Чанд (Hum Chand) та Рагунатан Шрінанд (Raghunathan Srianand) з Міжуніверситетського центру астрономії та астрофізики в Індії, Патрік Птижан (Patrick Petitjean) з Інституту астрофізики та Бастьєн Арасіль (Bastien Aracil) з LERMA. Жодна з груп не виявила зміни $\alpha$. Чанд стверджує, що будь-яка зміна за інтервал від 6 до 10 млрд. років тому має бути меншою, ніж одна мільйонна.

Чому схожі методики, використані для аналізу різних вихідних даних, призвели до такої радикальної невідповідності? Відповідь поки невідома. Результати, отримані згаданими дослідниками, мають чудову якість, але обсяг їх вибірок та вік проаналізованого випромінювання значно менший, ніж у нас. До того ж Чанд використав спрощену версію багатомультиплетного методу та не проводив повної оцінки всіх експериментальних та систематичних помилок.

Відомий астрофізик Джон Бекол (John Bahcall) з Прінстона розкритикував сам багатомультиплетний метод, але проблеми, на які він звертає увагу, відносяться до категорії випадкових помилок, які зводяться до мінімуму при використанні великих вибірок. Бекол, а також Джефрі Ньюман (Jeffrey Newman) із Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі розглядали лінії випромінювання, а не поглинання. Їхній підхід набагато менш точний, хоча в майбутньому, можливо, виявиться корисним.

Законодавча реформа

Якщо наші результати виявляться правильними, наслідки будуть величезними. Донедавна всі спроби оцінити, що сталося б із Всесвітом, якби постійна тонка структура змінилася, були незадовільними. Вони не йшли далі розгляду $ \ alpha $ як змінної в тих же формулах, які були отримані у припущенні, що вона стала. Погодьтеся, дуже сумнівний підхід. Якщо $\alpha$ змінюється, то енергія та імпульс у пов'язаних з нею ефектах повинні зберігатися, що має впливати на гравітаційне поле у ​​Всесвіті. В 1982 Якоб Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) з Єврейського університету в Єрусалимі вперше узагальнив закони електромагнетизму для випадку непостійних констант. У його теорії $ alpha $ сприймається як динамічна компонента природи, тобто. як скалярне поле. Чотири роки тому один із нас (Берроу) разом із Хеуордом Сендвіком (Håvard Sandvik) та Хояо Магуейхо (João Magueijo) з Імперського коледжу в Лондоні розширили теорію Бекенштейна, включивши до неї облік сил тяжіння.

Пророцтва узагальненої теорії привабливо прості. Оскільки електромагнетизм у космічних масштабах набагато слабший за гравітацію, зміни $\alpha$ на кілька мільйонних не надають на розширення Всесвіту помітного впливу. А ось розширення суттєво впливає на $alpha$ за рахунок невідповідності між енергіями електричного та магнітного полів. Протягом перших десятків тисяч років космічної історії випромінювання домінувало над зарядженими частинками та підтримувало баланс між електричним та магнітним полями. У міру розширення Всесвіту випромінювання розріджувалося, і домінуючим елементом космосу стала речовина. Електричні та магнітні енергії виявилися нерівними, і $ \ alpha $ почала зростати пропорційно логарифму часу. Приблизно 6 млрд. років тому почала переважати темна енергія, яка прискорила розширення, що ускладнює поширення всіх фізичних взаємодій у вільному просторі. В результаті $\alpha$ знову стала майже постійною.

Описана картина узгоджується з нашими спостереженнями. Спектральні лінії квазара характеризують той період космічної історії, коли домінувала матерія і зростала. Результати лабораторних вимірів та досліджень в Окло відповідають періоду, коли домінує темна енергія і постійна. Особливо цікавим є подальше вивчення впливу зміни $\alpha$ на радіоактивні елементи в метеоритах, тому що воно дозволяє досліджувати перехід між двома названими періодами.

Альфа – це лише початок

Якщо постійна тонка структура змінюється, то матеріальні об'єкти повинні падати по-різному. Свого часу Галілей сформулював слабкий принцип еквівалентності, згідно з яким тіла у вакуумі падають із однаковою швидкістю незалежно від того, з чого вони складаються. Але зміни $ \ alpha $ повинні породжувати силу, що діє на всі заряджені частки. Чим більше протонів містить атом у своєму ядрі, тим сильніше він відчуватиме її. Якщо висновки, зроблені під час аналізу результатів спостереження квазарів, правильні, то прискорення вільного падіння тіл із різних матеріалів має відрізнятися приблизно 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Це в 100 разів менше, ніж можна виміряти в лабораторії, але досить багато, щоб виявити відмінності в таких експериментах як STEP (перевірка принципу еквівалентності в космосі).

У попередніх дослідженнях $alpha$ вчені нехтували неоднорідністю Всесвіту. Подібно до всіх галактик, наш Чумацький шлях приблизно в мільйон разів більш щільний, ніж космічний простір в середньому, так що він не розширюється разом із Всесвітом. У 2003 р. Берроу і Девід Мота (David F. Mota) з Кембриджу вирахували, що $ \ alpha $ може поводитися по-різному в межах галактики і в більш порожніх областях простору. Як тільки молода галактика ущільнюється і, релаксуючи, приходить у гравітаційну рівновагу, $ alfa стає постійною всередині галактики, але продовжує змінюватися зовні. Таким чином, експерименти на Землі, в яких перевіряється сталість $ alfa $, страждають від упередженого вибору умов. Нам ще доведеться розібратися, як це позначається на перевірці слабкого принципу еквівалентності. Жодних просторових варіацій $\alpha$ поки ще не було помічено. Покладаючись на однорідність реліктового випромінювання, Берроу нещодавно показав, що $ alpha $ не змінюється більше ніж на 1 $ cdot $ $ 10 ^ (-8) $ між областями небесної сфери, віддаленими на $ 10 o $.

Нам залишається чекати на появу нових даних та проведення нових досліджень, які остаточно підтвердять або спростують гіпотезу про зміну $\alpha$. Дослідники зосередилися саме на цій константі просто тому, що ефекти, зумовлені її варіаціями, найлегше помітити. Але якщо $ \ alpha $ дійсно непостійна, інші константи теж повинні змінюватися. У такому разі нам доведеться визнати, що внутрішні механізми природи набагато складніші, ніж ми припускали.

ПРО АВТОРИ:
Джон Берроу (John D. Barrow), Джон Веб (John K. Webb) зайнялися дослідженням фізичних постійних у 1996 р. під час спільної творчої відпустки в університеті Сассекс в Англії. Тоді Берроу досліджував нові теоретичні можливості зміни констант, а Інтернет займався спостереженнями квазарів. Обидва автори пишуть науково-популярні книги та часто виступають у телевізійних програмах.

Порядок- перший закон Небес.

Олександр Поп

Фундаментальні світові постійні - це такі константи, які дають інформацію про найбільш загальні, основні властивості матерії. До таких, наприклад, відносяться G, с, е, h, m e та ін. Загальне, що поєднує ці константи, - це інформація, що міститься в них. Так, гравітаційна стала G є кількісною характеристикою універсального, властивого всім об'єктам Всесвіту взаємодії - тяжіння. Швидкість світла є максимально можлива швидкість поширення будь-яких взаємодій у природі. Елементарний заряд е - це мінімально можливе значення електричного заряду, що існує в природі у вільному стані (що володіють дробовими електричними зарядами кварки, мабуть, у вільному стані існують лише в надщільній та гарячій кварк-глюонній плазмі). Постійна

Планка h визначає мінімальну зміну фізичної величини, Називається дією, і відіграє фундаментальну роль у фізиці мікросвіту. Маса спокою m е електрона є характеристикою інерційних властивостей найлегшої стабільної зарядженої елементарної частинки.

Константою деякої теорії ми називаємо значення, що у рамках цієї теорії вважається завжди незмінним. Наявність констант при висловлювання багатьох законів природи відображає відносну незмінність тих чи інших сторін реальної дійсності, що виявляється в наявності закономірностей.

Самі фундаментальні постійні с, h, e, G та ін є єдиними для всіх ділянок Метагалактики і з часом не змінюються, тому їх називають світовими постійними. Деякі комбінації світових постійних визначають щось важливе в структурі об'єктів природи, а також формують ряд фундаментальних теорій.

визначає розмір просторової оболонки для атомних явищ (тут m е - маса електрона), а

Характерні енергії цих явищ; квант для великомасштабного магнітного потоку в надпровідниках задається величиною

гранична маса стаціонарних астрофізичних об'єктів визначається комбінацією:

де m N – маса нуклону; 120

весь математичний апарат квантової електродинаміки ґрунтується на факті існування малої безрозмірної величини

визначальною інтенсивність електромагнітних взаємодій.

Аналіз розмірності фундаментальних постійних призводить до нового розуміння проблеми в цілому. Окремі розмірні фундаментальні постійні, як зазначалося вище, грають певну роль структурі відповідних фізичних теорій. Коли йдеться про вироблення єдиного теоретичного опису всіх фізичних процесів, формування єдиної наукової картини світу, розмірні фізичні постійні поступаються місцем безрозмірним фундаментальним константам таким як Роль цих

постійних у формуванні структури та властивостей Всесвіту дуже велика. Постійна тонка структура є кількісною характеристикою одного з чотирьох видів фундаментальних взаємодій, що існують в природі - електромагнітного. Крім електромагнітної взаємодії іншими фундаментальними взаємодіями є гравітаційна, сильна і слабка. Існування безрозмірної константи електромагнітної взаємодії

Передбачає, очевидно, наявність аналогічних безрозмірних констант, є характеристиками трьох типів взаємодій. Ці константи також характеризуються такими безрозмірними фундаментальними постійними - константа сильної взаємодії - константа слабкої взаємодії:

де величина – постійна Фермі

для слабких взаємодій;

константа гравітаційної взаємодії:

Числові значення констант визначають

відносну "силу" цих взаємодій. Так, електромагнітна взаємодія приблизно в 137 разів слабша за сильну. Найслабшою є гравітаційна взаємодія, яка в 10 39 менша за сильну. Константи взаємодії визначають також, наскільки швидко йдуть перетворення одних частинок на інші в різних процесах. Константа електромагнітної взаємодії визначає перетворення будь-яких заряджених частинок на ті ж частинки, але із зміною стану руху плюс фотон. Константа сильної взаємодії є кількісною характеристикою взаємних перетворень баріонів за участю мезонів. Константа слабкої взаємодії визначає інтенсивність перетворень елементарних частинок у процесах за участю нейтрино та антинейтрино.

Необхідно відзначити ще одну безрозмірну фізичну константу, що визначає розмірність фізичного простору, яку позначимо через N. Для нас є звичним те, що фізичні події розігруються у тривимірному просторі, тобто N = 3, хоча розвиток фізики неодноразово призводив до появи понять, не що укладаються в "здоровий глузд", але відображають реальні процеси, що існують у природі.

Отже, " класичні " розмірні фундаментальні постійні грають визначальну роль структурі відповідних фізичних теорій. З них формуються фундаментальні безрозмірні постійні єдині теорії взаємодій - Ці константи та деякі інші, а також розмірність простору N визначають структуру Всесвіту та його властивості.