Чи є природні константи назавжди незмінними СВІТ
Чи є природні константи назавжди незмінними?
У гущавині фізичних законів і формул є дев'ять фіксованих величин. Вся фізична структура спирається на ці так звані основні константи; вони визначають властивості речовини та сил. Але цей термін передбачає два питання: наскільки ці величини є фундаментальними і чи є вони навіть постійними? Теоретики хвилюються з цього приводу, експериментатори шукають відповіді за допомогою вимірювальних технологій. Що робить фізичну величину фундаментальною сталою?
Згідно з сьогоднішнім розумінням, його не слід відстежувати до інших величин, і він завжди повинен мати однакову цінність у кожному місці Всесвіту та в усі часи. Наскільки відомо, цим властивостям відповідають дев'ять розмірів. Найвідомішими є гравітаційна стала і елементарний заряд електрона.
Однак не можна точно довести, що ці константи дійсно завжди і скрізь були незмінними. Сучасні теорії, в яких хочеться об’єднати чотири відомі природні сили в одну елементарну силу, іноді навіть прогнозують зміни природних констант з часом або принаймні дозволяють їх. Сюди входить так звана теорія суперструн, в якій елементарні частинки виглядають як вібруючі нитки. Це надихає фізиків шукати зміни в природних константах.
Вперше такі міркування з’явилися ще в 1937 році. У той час британський теоретик Пол Дірак розробив теорію, згідно з якою гравітаційна константа і, отже, сила тяжіння зменшилася після Великого Вибуху. Цю гіпотезу давно спростовували. Але ідея гравітаційної константи, що змінюється у часі, залишилася. Це можна перевірити з певною мірою точності. Коли сила тяжіння зменшується, планетам доведеться все більше віддалятися від сонця, а місяць від землі. Точні в міліметрі вимірювання відстані до Місяця за ці роки не показали жодних змін гравітаційної константи.
Однак Майкл Мерфі та його колеги з Університету Нового Південного Уельсу в Сіднеї нещодавно викликали ажіотаж. Вони стверджують, що так звана константа тонкої структури змінилася після Великого вибуху. Це визначально для будови атомів, а отже, і для довжини хвилі світла, яке вони випромінюють. Астрономи проаналізували світло від 150 квазарів на різних відстанях. Оскільки потрібні були різні часи, щоб дістатися від цих небесних тіл до землі, астрономи озираються в минуле космосу. Це відкриває можливість вимірювання значення константи тонкої структури в різний час. Результат: Значення константи тонкої структури зросло на соту частину на тисячу. Якби це було правильно, ця варіація була б надзвичайно малою. Але навіть найменше відхилення від незмінності було б сенсацією.
Але є й інші вимірювання, згідно з якими константа тонкої структури не змінювалась явно, принаймні протягом останніх двох мільярдів років.
Власне кажучи, константа тонкої структури не є однією з фундаментальних величин фізики, оскільки це поєднання трьох інших природних констант. Якщо вона змінилася в минулому, принаймні одна з констант у ній також повинна бути змінною.
Константа тонкої структури також має велике значення для атомної фізики. Якщо їх значення змінюється, фізичні величини також починають коливатися в інших місцях. Професор Гаральд Фріц з Мюнхенського університету вивчив ці можливі наслідки. Він виявив, що маси електронів і протонів тоді також повинні будуть змінюватися. В результаті довжина хвилі світла, випромінюваного атомами, з часом змінювалася б.
Потім цей ефект слід навіть перевірити шляхом лабораторних вимірювань.
Тому Фріцш запропонував своєму колезі професору Теодору Хеншу з Інституту квантової оптики Макса Планка в Гархінгу шукати таку "легку розстроювання". В результаті група Хенша побудувала так званий частотний гребінець, за допомогою якого вони можуть визначати довжини хвиль з безпрецедентною точністю. Вимірювання настільки точне, що передбачення Фріца про зміну довжини хвилі з часом можна перевірити протягом декількох місяців. Експеримент щойно закінчився і зараз оцінюється. Результат повинен бути доступний через кілька тижнів. "Якщо тоді ефекту не буде, я вважаю, що вимірювання Мерфі є неправильними", - говорить Фріц.
Фізики у всьому світі шукають варіації основних констант. Наразі жоден з цих експериментів не дав жодних ознак змін у часі. Існує багато вказівок на те, що основні константи від Великого вибуху до наших днів зберегли свої цінності. Таким чином, рамки, в яких міг розвиватися Всесвіт, були визначені з самого початку.
І ось виникає наступне запитання: Як встановлювались цінності? Це був збіг обставин? Чи значення неминуче призводять до єдиної теорії? "Це питання входить до першої десятки невирішених проблем", - говорить Фріцш. Цікаво, що природні константи оптимально обрані для створення світу, в якому могли б розвиватися планети і врешті-решт життя. Якби нейтрон був лише на один відсоток легшим або важчим, у космосі не було б водню. І константа тонкої структури знову відіграє центральну роль, особливо з великою кількістю вуглецю. Цей елемент, який є настільки важливим для розвитку життя, не виник у Великому Вибуху. Він утворюється лише у внутрішній частині зірок, які викидають вуглець у Всесвіт у фінальній фазі. Там він доступний як сировина для зірок, планет і життя.
Значення константи тонкої структури є оптимальним, щоб забезпечити утворення вуглецю у дуже великих кількостях. Якби це було лише на піввідсотка, виробництво скоротилося б у сто разів. Тоді основні будівельні блоки були б недостатньо доступними в космосі, щоб можна було формувати життя.
Існують більш тонкі зміни цього типу, які змушують дослідників замислитися. Деякі з них пояснюють це досить тверезо: Якби значення констант виявилися інакше, і Всесвіт ворожий до життя, ми, люди, не існували б, і ніхто б не питав про природні константи.
Багато космологів вважають таке тлумачення незадовільним. Вони вірять, що наш Всесвіт - лише один із багатьох паралельних всесвітів. У цих світах основні константи мали б різні значення.
В одних всесвітах взагалі не було б ніякої матерії, в інших набагато більша гравітаційна константа забезпечила б, щоб простір розширювався лише на кілька секунд, хвилин або навіть років, а потім швидко руйнувався згодом. Однак в інших всесвітах гравітація може бути настільки слабкою, що газ ніколи не зможе конденсуватися в зірки та планети. Лише кілька всесвітів мають правильний баланс. Ми живемо в одному з них.