Целью изучения тонкой структуры является. Постоянная тонкой структуры

Обнаружено, что постоянная тонкой структуры, которая обозначается греческой буквой α, менялась в пространстве и времени, начиная с момента Большого взрыва. Это открытие специалисты, не участвовавшие в работе, уже назвали «новостью года в физике». Если данный факт справедлив, то это будет означать нарушение основополагающего принципа общей теории относительности Эйнштейна.

При этом характер асимметрии постоянной тонкой структуры может помочь ученым создать одну единую теорию физики, описывающую четыре фундаментальных взаимодействия (гравитацию, электромагнетизм, а также сильные и слабые ядерные силы), а также лучше понять природу нашей Вселенной.

Постоянная тонкой структуры α является безразмерной, приблизительно равна 1/137. Впервые она была описана в 1916 году немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом. Он интерпретировал ее как отношение скорости электрона на первой круговой орбите в боровской модели атома (это самая простая модель атома, в которой электроны движутся вокруг положительно заряженного ядра, словно планеты вокруг Солнца) к скорости света. В квантовой электродинамике постоянная тонкой структуры характеризует силу взаимодействия между электрическими зарядами и фотонами. Её значение не может быть предсказано теоретически и вводится на основе экспериментальных данных. Постоянная тонкой структуры является одним из двадцати странных «внешних параметров» стандартной модели в физике элементарных частиц, и существовали некоторые теоретические признаки ее возможного изменения.

Признаки изменения α Джон Уэбб, Виктор Фламбаум и их коллеги из Университета Нового Южного Уэльса стали искать с 1998 года, изучая излучение далеких квазаров. Это излучение миллиарды лет шло до Земли сквозь облака газа. Часть его поглотилась на определенных длинах волн, по которым можно сделать выводы о химическом составе облаков и из этого уже определить, какой была постоянная тонкой структуры миллиарды лет назад. По данным австралийских исследователей, которые изучали объекты в северном полушарии, эта величина раньше была на 1/100 000 меньше, чем сейчас. Этот результат, полученный несколько лет назад, был признан не всеми физиками.

Проанализировав 153 квазара на небе Южного полушария с помощью телескопа VLT в Чили, ученые обнаружили, что постоянная тонкой структуры миллиарды лет назад была на 1/100 000 больше, чем сейчас.

Эта асимметрия, которая получила название «австралийский диполь», определена с точностью 4 сигма, что означает: есть только один шанс из пятнадцати тысяч, что данный результат является ошибочным. Пространственное изменение α является доказательством того, что электромагнитное взаимодействие нарушает принцип эквивалентности Эйнштейна, согласно которому постоянная тонкой структуры должна быть одной и той же, независимо от того где и когда она измеряется.

Спектроскопист из Университета Амстердама (Нидерланды) Вим Убахс назвал работу австралийских физиков «новостью года в физике» и добавил, что она дает «новый поворот проблеме».

Постоянная тонкой структуры и другие фундаментальные параметры определяются массами и энергиями элементарных частиц, в том числе и тех, которые составляют темную материю. Если эти константы меняются, отношение степени распространенности нормальной материи, темной материи и темной энергии могут быть различными в разных частях Вселенной. Это можно было бы рассматривать в качестве дополнительной анизотропии космического микроволнового фона или асимметрии в скорости расширения Вселенной.

Самый интригующий аспект данного открытия связан с так называемым «антропным принципом», который звучит следующим образом: «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек». То есть из антропного принципа следует, что фундаментальные константы имеют значения, которые позволяют веществу и энергии быть в форме звезд, планет и наших собственных тел. Если α изменяется с течением времени и в пространстве, вполне возможно, что мы обязаны своим существованием специальному месту и времени во Вселенной.

Л.И. Холодов, И.В. Горячев

Соображения о физическом смысле постоянной тонкой структуры

Нашим соображениям мы предпошлем полное изложение статьи Георгия Кирокосяна «Физический смысл постоянной тонкой структуры», которая была опубликована в Интернете 7.12.2010 г., так как в ней, по нашему мнению, достаточно хорошо показана история постоянной тонкой структуры, как «загадки XX века».

«Названная фундаментальная постоянная микромира: α ≈ 1/137 была введена в физику в 20-е годы Арнольдом Зоммерфельдом для описания энергетических подуровней, обнаруженных экспериментально в спектрах излучения атомов. С тех пор были выявлены и множество других проявлений того же самого постоянного отношения в разнообразных явлениях, связанных с взаимодействиями элементарных частиц. Ведущие физики того времени постепенно осознали значение этого числа, как в мире элементарных частиц, так и в целом – в устройстве нашего мироздания. С этой точки зрения достаточно сказать только, что все основные свойства и характеристики объектов микромира: размеры электронных орбит в атомах, энергии связи (как между элементарными частицами, так и атомами), и тем самым, все физические и химические свойства вещества, определяются величиной этой константы. В дальнейшем, используя названную постоянную, удалось разработать и весьма результативную формальную теорию – современную квантовую электродинамику (КЭД), с фантастической точностью описывающую квантовое электромагнитное взаимодействие.

Из вышесказанного можно судить обо всей важности задачи выяснения физического смысла и причинного механизма возникновения этой постоянной, что является открытым вопросом в физике с тех пор, как она была обнаружена. На языке теоретиков, решение данной задачи означает: назвать ту исходную концепцию возникновения названной константы, исходя из которой последовательными выкладками можно прийти к экспериментально установленному её значению. О значимости же поставленного вопроса можно судить из шуточного высказывания знаменитого физика с мировым именем, Вольфганга Паули: «Когда я умру, первым делом посчитаю спросить у дьявола, – каков смысл постоянной тонкой структуры?» Ну, а Ричард Фейнман считал сам факт существования этого загадочного числа «проклятием для всех физиков» и советовал хорошим теоретикам «зарубить его на стене и всегда думать над ним»!

Представленный вопрос приобрел такое значение, прежде всего, потому что названная постоянная непосредственно связана с проблемой понимания физической сущности элементарных частиц, поскольку она проявляется не раздельно от них, а как их глубинное свойство. Посему многие физики в течение долгих лет упорно пытались решить эту величайшую задачу, применяя разные подходы и методы. Но пока все их усилия не увенчались успехом.

Что же предложено автором? Ему удалось обнаружить, что решение «загадки XX века» на самом деле содержится в наших учебниках и в хорошо известных формулах, относящихся к волнам, если только аккуратно подсчитать! Сказанное означает, что α является классической волновой константой. Но следует предупредить, что самое простейшее объяснение загадки может вызывать недоумение, если изначально мы не склонны слушать то, что нам предлагается. Как показал опыт, представленное решение проблемы весьма трудно воспринимается многими специалистами, хотя верность результата никем и не опровергается!

В чем же заключается причина этого затруднения? К сожалению, ведущие современные теоретики, чрезмерно увлеченные формально-математическими теориями (которые первоначально рассматривались как временный компромиссный вариант), уже успели забыть о существовании в физике нерешенной фундаментальной дилеммы «частицы – волны». В результате трудно встретить физика, которого бы не удивил подход автора – представить частицу как локализовано-стоячую волну (хотя официально это вполне допустимо, в силу той же нерешенной дилеммы). И это притом, что к аналогичному заключению уже давно пришли бесспорные авторитеты физической науки: Эйнштейн, Шредингер, Гейзенберг и др. под давлением весомых аргументов.

Представленный труд и полученный результат, на взгляд автора, может являться серьёзным указанием на правоту убеждений корифеев физики. Но этот вывод в свое время был упорно проигнорирован большинством голосов коллег (поскольку не удалось получить необходимых результатов, подтверждающих верность этого умозаключения). Как следствие, исследования в этой области теоретической физики пошли в неэффективном направлении. Предложенное решение может являться ключом к выявлению физической сущности элементарных частиц и тем самым открывать понятный путь к описанию микромира, альтернативный современным формально-феноменологическим теориям. Однако решающее слово принадлежит здесь глубоко мыслящим экспертам – теоретикам, которые, как мы надеемся, непременно найдутся и дадут объективную оценку представленному труду».

Появились новые подтверждения тому, что одна из важнейших констант современной физики меняется со временем – и в разных частях Вселенной по-разному.

Квазар – точечный источник излучения, характеризующийся чрезвычайно высокой интенсивностью и изменчивостью. По современным теориям, квазары представляют собой активные центры молодых галактик с расположенными в их центрах черными дырами, которые с особенным аппетитом поглощают материю Почему Вселенная такова, какова есть? Почему численные соотношения безразмерных констант именно такие, какими мы их знаем? Почему пространство имеет три протяженных измерения? Почему существует именно фундаментальных взаимодействия, а не, скажем, пять? Почему, наконец, все в ней так сбалансировано и точно «подогнано» одно под другое? Сегодня популярно считать, что если б что-то было иначе, если б одна из базовых констант была иной, мы просто не могли бы задаваться этими вопросами. Такой подход называется антропным принципом: если б константы соотносились иначе, не могли б образоваться устойчивые элементарные частицы, если б у пространства было больше измерений, планеты не могли бы обрести устойчивые орбиты и так далее. Иначе говоря, не смогла бы образоваться Вселенная – и уж тем более не могли бы развиться такие разумные организмы, как мы с вами. (Подробнее об антропном принципе рассказывается в статье «Человеколюбивое мироздание».) В общем, мы появились просто в нужном месте – в единственном, где могли появиться. А возможно, и в нужном времени, о чем говорит недавнее громкое исследование одной из фундаментальных физических констант. Речь о постоянной тонкой структуры, величине безразмерной и ни из каких формул не выводимой. Устанавливается она эмпирически, как отношение скорости вращения электрона (находящегося на Боровском радиусе) к скорости света, и равна 1/137,036. Она характеризует силу взаимодействия электрических зарядов с фотонами. Несмотря на то, что называется она постоянной, физики уже не первое десятилетие дискутируют о том, насколько постоянна эта константа на самом деле. Несколько «скорректированное» ее значение для разных случаев могло бы решить определенные проблемы в современной космологии и астрофизике. А с выходом на сцену Теории струн многие ученые вообще склоняются к тому, что и прочие константы могут быть не столь уж неизменными. Изменения в постоянной тонкой структуре могли бы косвенно свидетельствовать о реальном существовании дополнительных свернутых измерений Вселенной, что абсолютно необходимо в Теории струн. Все это подстегнуло поиски доказательств – или опровержений – тому, что постоянная тонкой структуры может быть иной в других точках пространства и (или) времени. Благо, для того, чтобы оценить ее, можно воспользоваться таким доступным инструментом, как спектроскопия (постоянная тонкой структуры как раз и была введена для интерпретации спектроскопических наблюдений), а для того, чтобы «заглянуть в прошлое», достаточно посмотреть на далекие звезды. Поначалу эксперименты, казалось, опровергали возможность изменений этой постоянной, но по мере того, как инструменты становились все совершенней, можно было оценивать ее величину на все большем удалении и со все большей точностью, стали появляться более интересные свидетельства. В 1999-м, например, австралийские астрономы во главе с Джоном Уэббом (John Webb) проанализировали спектры 128-ми далеких квазаров и показали, что некоторые их параметры могут объясняться постепенным ростом постоянной тонкой структуры на протяжении последних 10-12 млрд лет. Однако эти результаты были крайне спорными. Скажем, работа, датируемая 2004-м, напротив, не обнаружила заметных изменений. А уже на днях тот же Джон Уэбб выступил с новым сенсационным сообщением – новая его работа названа некоторыми специалистами «открытием года» в физике. Ранее, в конце 1990-х Уэбб с коллегами работали с обсерваторией Keck на Гавайях и наблюдали квазары северной небесной полусферы. Тогда они пришли к выводу, что 10 млрд лет назад постоянная тонкой структуры была примерно на 0,0001 меньше и с тех пор немного «подросла». Теперь же, поработав с телескопом VLT обсерватории ESO в Чили и пронаблюдав 153 квазара южной полусферы, они получили те же результаты, но… с обратным знаком. Постоянная тонкой структуры «в южном направлении» 10 млрд лет назад была на 0,0001 больше и с тех пор «уменьшилась». Эти различия, названные исследователями «австралийским диполем», имеют высокую статистическую достоверность. А главное – они могут свидетельствовать о фундаментальной асимметрии нашего мироздания, которое может наблюдаться и в пространстве, и во времени. Возвращаясь к антропному принципу, с которого мы начали, можно сказать, что мы родились не только в идеальном месте, но и в идеальное время.

По информации Physics World

Зоммерфельда, было отношение двух угловых моментов, которые возникают в теории движения электрона по кеплеровским орбитам, - так называемого предельного момента , который отвечает за движение перицентра при релятивистском рассмотрении, и момента , соответствующего первому квантовому состоянию. Позже, в своей известной книге «Строение атома и спектры» , Зоммерфельд вводил , как отношение скорости электрона на первой круговой орбите в боровской модели атома к скорости света . Эта величина использовалась далее для расчёта тонкого расщепления спектральных линий водородоподобных атомов.

Тот факт, что много меньше единицы, позволяет использовать в квантовой электродинамике теорию возмущений . Физические результаты в этой теории представляются в виде ряда по степеням , причём члены с возрастающими степенями становятся менее и менее важными. И наоборот, большая константа взаимодействия в квантовой хромодинамике делает вычисления с учётом сильного взаимодействия чрезвычайно сложными.

Если бы предсказания квантовой электродинамики были верны, то постоянная тонкой структуры принимала бы бесконечно большое значение при значении энергии, известном как полюс Ландау . Это ограничивает область применения квантовой электродинамики только областью применимости теории возмущений .

Постоянство величины

Исследование вопроса о том, действительно ли постоянная тонкой структуры является постоянной, то есть всегда ли она имела современное значение или менялась за время существования Вселенной , имеет долгую историю . Первые идеи такого рода появились в 1930-е годы, вскоре после открытия расширения Вселенной , и преследовали цель сохранить статическую модель Вселенной за счёт изменения фундаментальных констант со временем. Так, в статье Дж. и Б. Чалмерсов предлагалось объяснение наблюдаемого красного смещения спектральных линий галактик за счёт одновременного возрастания элементарного заряда и постоянной Планка (это должно приводить и к временно́й зависимости ). В ряде других публикаций предполагалось, что постоянная тонкой структуры остаётся неизменной при одновременной вариации составляющих её констант.

Серьёзной проверке вопрос об изменении постоянной тонкой структуры со временем был подвергнут в 1967 году. Инициатором выступил Георгий Гамов , который, отказываясь принять дираковскую идею об изменении гравитационной постоянной, заменил её гипотезой о вариации элементарного заряда и, как следствие, . Он также показал, что это предположение можно проверить наблюдениями тонкой структуры спектров удалённых галактик. Против предположения Гамова были выдвинуты возражения ядерно-физического и геологического характера, с которыми выступили Фримен Дайсон и Ашер Перес (Asher Peres ) . Прямую экспериментальную проверку гипотезы Гамова предприняли Джон Баколл (John N. Bahcall ) и Маартен Шмидт , измерившие дублеты тонкого расщепления пяти радиогалактик с красным смещением . Из опыта следовало отношение измеренного значения постоянной тонкой структуры к её лабораторной величине , что противоречило предсказанию в случае (см. также обзор ). Гамов быстро признал своё поражение. Не выявили каких-либо изменений постоянной тонкой структуры и исследования природного ядерного реактора в Окло , проведённые в 1970-е годы . Все эти работы позволили установить весьма жёсткие ограничения на возможную скорость и характер изменения и других фундаментальных констант.

Тем не менее, к началу 2000-х годов усовершенствования в методиках астрономических наблюдений дали основание считать, что постоянная тонкой структуры, возможно, меняла своё значение с течением времени: анализ линий поглощения в спектрах квазаров позволил предположить , что относительная скорость изменения составляет около в год. Исследовались также последствия возможного изменения постоянной тонкой структуры для космологии . Однако более детальные наблюдения квазаров , сделанные в апреле 2004 года при помощи спектрографа UVES на одном из 8,2-метровых телескопов телескопа Паранальской обсерватории в Чили , показали, что возможное изменение не может быть больше, чем 0,6 миллионной доли () за последние десять миллиардов лет (см. статьи и пресс-релиз ). Поскольку это ограничение противоречит более ранним результатам, то вопрос о том, постоянна ли , считается открытым.

Попытки рассчитать (включая нумерологию)

Ранние попытки

Постоянная тонкой структуры, являясь безразмерной величиной, которая никак не соотносится ни с какой из известных математических констант , всегда являлась объектом восхищения для физиков. Ричард Фейнман , один из основателей квантовой электродинамики, называл её «одной из величайших проклятых тайн физики: магическое число, которое приходит к нам без какого-либо понимания его человеком» . Предпринималось большое количество попыток выразить эту постоянную через чисто математические величины или вычислить на основе каких-либо физических соображений. Так, ещё в 1914 году химики Гилберт Льюис и Эллиот Адамс (Elliot Quincy Adams ), отталкиваясь от выражения для константы Стефана , после некоторых предположений выразили постоянную Планка через заряд электрона и скорость света. Если составить из их формулы постоянную тонкой структуры, которая тогда ещё не была известна, получится

Работа Льюиса и Адамса не прошла незамеченной и была подхвачена некоторыми другими учёными . Герберт Стэнли Аллен (H. Stanley Allen ) в своей статье явным образом сконструировал вышеуказанную безразмерную величину (обозначив её через ) и попытался связать её с величиной заряда и массы электрона; он также указал на примерное соотношение между массами электрона и протона . В 1922 году чикагский физик Артур Лунн (Arthur C. Lunn ) предположил , что постоянная тонкой структуры каким-то образом связана с ядерным дефектом массы , а также рассмотрел её возможную связь с гравитацией посредством соотношения ( - ньютоновская гравитационная постоянная). Кроме того, он предложил несколько чисто алгебраических выражений для , а именно: , , , .

Первую попытку связать постоянную тонкой структуры с параметрами Вселенной предпринял в 1925 году ливерпульский физик Джеймс Райс (James Rice ), находившийся под большим впечатлением от работ астрофизика Артура Эддингтона по объединению общей теории относительности с электромагнетизмом . В своей первой статье Райс пришёл к следующему выражению, связывающему с радиусом кривизны Вселенной ,

где - электромагнитный радиус электрона, - гравитационный радиус электрона. Однако вскоре он обнаружил в своих вычислениях грубую ошибку и в следующей заметке представил исправленный вариант соотношения, а именно:

Положив для радиуса Вселенной величину см, Райс получил .

Теория Эддингтона

Другие попытки середины XX века

Хотя некоторые ведущие физики (Зоммерфельд , Шрёдингер , Йордан) с интересом отнеслись к теории Эддингтона, вскоре стала ясна трудность согласования с экспериментом; кроме того, было трудно понять методику Эддингтона. По меткому выражению Вольфганга Паули , это была скорее «романтическая поэзия, а не физика». Тем не менее, эта теория породила множество последователей, предлагавших свои более или менее спекулятивные подходы к анализу происхождения постоянной тонкой структуры . Так в 1929 году Владимир Рожанский (Vladimir Rojansky ) фактически «переоткрыл» соотношение Аллена между массами протона и электрона , а Энос Уитмер (Enos Witmer ) предложил соотношение между массами атомов гелия и водорода в виде

Аналогичные попытки связать с другими константами природы (в особенности с ) предпринимали примерно в это время Вильгельм Андерсон (Wilhelm Anderson ) , Рейнгольд Фюрт (Reinhold Fürth ) , Вальтер Глазер (Walter Glaser ) и Курт Зитте (Kurt Sitte ) (они определили максимальное количество химических элементов как ), Артур Гааз (Arthur Erich Haas ) , Альфред Ланде и другие. Большое количество такого рода работ побудило физиков Гвидо Бека , Ханса Бете и Вольфганга Рицлера (Wolfgang Riezler ) послать в журнал Die Naturwissenschaften шуточную заметку «К квантовой теории абсолютного нуля температуры» . Эта статья пародировала поиски нумерологических формул для физических констант и предлагала «объяснение» тому факту, что постоянная тонкой структуры примерно равна , где °C - абсолютный нуль температуры. Редакция журнала не осознала пародийного характера заметки и опубликовала её на страницах издания. Когда истина открылась, эта шутка вызвала гнев редактора журнала Арнольда Берлинера (Arnold Berliner ), так что, по настоянию Зоммерфельда, Бете был вынужден извиниться за свой поступок .

После открытия мюона в 1937 году возникли спекулятивные предположения о связи новой частицы с константами природы. Согласно Патрику Блэкетту , возможна связь между гравитацией и временем жизни мюона в виде

где - масса мюона. Генри Флинт (Henry Flint ), основываясь на соображениях 5-мерного расширения теории относительности, получил соотношение . Среди более поздних попыток можно отметить чисто нумерологическое соотношение между массами протона и электрона, появившееся в чрезвычайно короткой заметке некоего Фридриха Ленца (Friedrich Lenz ), и гласившее: . В 1952 году Ёитиро Намбу указал , что массы элементарных частиц тяжелее электрона можно описать следующей эмпирической формулой:

где - целое число. Например, для получается масса мюона (), для - масса пиона (), для - приблизительная масса нуклонов ().

Более научно обоснованными были попытки рассчитать величину постоянной тонкой структуры, предпринятые Максом Борном и Вернером Гейзенбергом на основе их обобщений существующих полевых теорий . Борн при помощи своего подхода, основанного на «принципе взаимности» (см., например, работы ), к концу 1940-х годов смог получить лишь оценку, которая дала . Гейзенбергу в рамках его нелинейной теории поля также удалось получить согласие с экспериментальным значением постоянной лишь по порядку величины.

Современные попытки

Возможна и ассоциация с предполагаемой размерностью пространства-времени : в одной из самых многообещающих теорий последнего времени - так называемой «М-теории », развивающейся как обобщение теории суперструн и претендующей на описание всех физических взаимодействий и элементарных частиц - пространство-время полагается 11-мерным. При этом одно измерение на макроуровне воспринимается как время, еще три - как макроскопические пространственные измерения, остальные семь - это так называемые «свернутые» (квантовые) измерения, ощущаемые только на микро-уровне. ПТС при этом объединяет числа 1, 3 и 7 с множителями, кратными десяти, причем 10 можно интерпретировать как суммарную размерность пространства в теории суперструн.

Похожим образом математик Джэймс Гилсон предложил, что постоянная тонкой структуры может быть математически, с большой степенью точности, определена как

29 и 137 являются, соответственно, 10-м и 33-м простыми числами. До данных 2002 года это значение лежало в пределах ошибок измерений . В настоящий момент оно отличается на 1,7 стандартного отклонения экспериментальных данных, что делает данное значение возможным, но маловероятным.

В недавней статье А. Ольчака приводится более компактная и внятная формула, аппроксимирующая постоянную тонкой структуры с не худшей точностью, чем формула Гилсона. Величина ПТС при этом связывается с ключевой для динамики хаоса постоянной Фейгенбаума . Эта постоянная, в самых общих словах, характеризует скорость приближения решений нелинейных динамических систем к состоянию «неустойчивости в каждой точке» или «динамического хаоса». На сегодняшний день расчётное значение постоянной Фейгенбаума (в пределах точности, требуемой для расчёта ПТС) составляет .

Величина ПТС весьма точно вычисляется как корень простого уравнения

и составляет что аппроксимирует экспериментальное значение до десятого десятичного знака. Точность совпадения составляет ~1,3 стандартных интервала сегодняшней экспериментальной погрешности.

Следует также заметить, что с точки зрения современной квантовой электродинамики постоянная тонкой структуры является бегущей константой связи , то есть зависит от энергетического масштаба взаимодействия. Этот факт лишает большей части физического смысла попытки сконструировать нумерологическую формулу для какого-то конкретного (в частности - нулевого, если речь идёт о значении ) передаваемого импульса.

См. также

Примечания

1. Рекомендованное CODATA значение постоянной тонкой структуры .
2. A. Sommerfeld. Die Feinstruktur der Wasserstoff- und der Wasserstoff-ähnlichen Linien // Sitzungsberichte der Königl. Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu München . - 1915. - P. 459-500.
3. A. Sommerfeld. Zur Quantentheorie der Spektrallinien // Annalen der Physik . - 1916. - Vol. 356 (51). - P. 1-94.
4. A. Зоммерфельд. Строение атома и спектры. - М .: Гостехиздат, 1956. - Т. 1. - С. 81.
5. , pp. 403–404
6. , pp. 427–430
7. J. A. Chalmers, B. Chalmers. The expanding universe-an alternative view // Philosophical Magazine Series 7 . - 1935. - Vol. 19. - P. 436-446.
8. S. Sambursky. Static Universe and Nebular Red Shift // Physical Review . - 1937. - Vol. 52. - P. 335-338.
9. K. P. Stanyukovich . Possible changes in the gravitational constant // Soviet Physics - Doklady . - 1963. - Vol. 7. - P. 1150-1152.
10. J. O"Hanlon, K.-K. Tam. Time Variation of the Fundamental Constants of Physics // Progress of Theoretical Physics . - 1969. - Vol. 41. - P. 1596-1598.
11. P. A. M. Dirac. A New Basis for Cosmology // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1938. - Vol. 165. - P. 199-208.
12. P. Jordan. Über die kosmologische Konstanz der Feinstrukturkonstanten // Zeitschrift für Physik . - 1939. - Vol. 113. - P. 660-662.
13. E. Teller. On the Change of Physical Constants // Physical Review . - 1948. - Vol. 73. - P. 801-802.
14. J. Brandmüller, E. Rüchardt. Die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante und das Problem der spektroskopischen Einheiten // Die Naturwissenschaften . - 1950. - Vol. 37. - P. 337-343.
15. R. Baggiolini. On a Remarkable Relation between Atomic and Universal Constants // American Journal of Physics . - 1957. - Vol. 25. - P. 324-325.
16. G. Gamow. Electricity, Gravity, and Cosmology // Physical Review Letters . - 1967. - Vol. 19. - P. 759-761.
17. F. J. Dyson. Time Variation of the Charge of the Proton // Physical Review Letters . - 1967. - Vol. 19. - P. 1291-1293.
18. A. Peres. Constancy of the Fundamental Electric Charge // Physical Review Letters . - 1967. - Vol. 19. - P. 1293-1294.
19. J. N. Bahcall, M. Schmidt. Does the Fine-Structure Constant Vary with Cosmic Time? // Physical Review Letters . - 1967. - Vol. 19. - P. 1294-1295.
20. Я. М. Крамаровский, В. П. Чечев. Изменяется ли заряд электрона с возрастом Вселенной? // УФН . - 1970. - Т. 102. - С. 141-148.
21. G. Gamow. Numerology of the Constants of Nature // PNAS . - 1968. - Vol. 59. - P. 313-318.
22. Ю. В. Петров. Естественный ядерный реактор Окло // УФН . - 1977. - Т. 123. - С. 473-486.
23. M. T. Murphy, J. K. Webb, V. V. Flambaum, V. A. Dzuba, C. W. Churchill, J. X. Prochaska, J. D. Barrow, A. M. Wolfe. Possible evidence for a variable fine-structure constant from QSO absorption lines: motivations, analysis and results // . - 2001. - Vol. 327. - P. 1208-1222.
24. J. D. Barrow, H. B. Sandvik, J. Magueijo. Behavior of varying-alpha cosmologies // Physical Review D . - 2002. - Vol. 65. - P. 063504.
25. R. Srianand, H. Chand, P. Petitjean, B. Aracil. Limits on the Time Variation of the Electromagnetic Fine-Structure Constant in the Low Energy Limit from Absorption Lines in the Spectra of Distant Quasars // Physical Review Letters . - 2004. - Vol. 92. - P. 121302.
26. H. Chand, R. Srianand, P. Petitjean, B. Aracil. Probing the cosmological variation of the fine-structure constant: Results based on VLT-UVES sample // Astronomy & Astrophysics . - 2004. - Vol. 417. - P. 853-871.
27. New Quasar Studies Keep Fundamental Physical Constant Constant // ESO Press Release, 31 March 2004
28. J. K. Webb, J. A. King, M. T. Murphy, V. V. Flambaum, R. F. Carswell, M. B. Bainbridge. Indications of a Spatial Variation of the Fine Structure Constant // Physical Review Letters . - 2011. - Vol. 107. - P. 191101. См. также .
29. J. C. Berengut, V. V. Flambaum, J. A. King, S. J. Curran, J. K. Webb. // Physical Review D . - 2011. - Vol. 83. - P. 123506. См. также .
30. J. A. King, M. T. Murphy, W. Ubachs, J. K. Webb. New constraint on cosmological variation of the proton-to-electron mass ratio from Q0528-250 // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . - 2011.
31. S. J. Curran, A. Tanna, F. E. Koch, J. C. Berengut, J. K. Webb, A. A. Stark, V. V. Flambaum. Measuring space-time variation of the fundamental constants with redshifted submillimetre transitions of neutral carbon // Astronomy & Astrophysics . - 2011.
32. J. C. Berengut, V. V. Flambaum. Manifestations of a spatial variation of fundamental constants in atomic and nuclear clocks, Oklo, meteorites, and cosmological phenomena // Europhysics Letters . - 2012. - Vol. 97. - P. 20006.
33. J. D. Barrow. Cosmology, Life, and the Anthropic Principle // Annals of the New York Academy of Sciences . - 2001. - Vol. 950. - P. 139-153.
34. G. N. Lewis and E. Q. Adams. A Theory of Ultimate Rational Units; Numerical Relations between Elementary Charge, Wirkungsquantum, Constant of Stefan"s Law // Physical Review . - 1914. - Vol. 3. - P. 92-102.
35. , pp. 400–401
36. , pp. 401–402
37. H. Stanley Allen. Numerical Relationships between Electronic and Atomic Constants // Proceedings of the Physical Society of London . - 1914. - Vol. 27. - P. 425-431.
38. A. C. Lunn. Atomic Constants and Dimensional Invariants // Physical Review . - 1922. - Vol. 20. - P. 1-14.
39. , p. 406
40. J. Rice. On Eddington"s natural unit of the field, and possible relations between it and the universal constants of physics // . - 1925. - Vol. 49. - P. 457-463.
41. J. Rice. On Eddington"s natural unit of the field // Philosophical Magazine Series 6 . - 1925. - Vol. 49. - P. 1056-1057.
42. A. S. Eddington. The Charge of an Electron // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1929. - Vol. 122. - P. 358-369.
43. A. S. Eddington. The Interaction of Electric Charges // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1930. - Vol. 126. - P. 696-728.
44. A. S. Eddington. On the Value of the Cosmical Constant // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1931. - Vol. 133. - P. 605-615.
45. A. S. Eddington. Theory of Electric Charge // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1932. - Vol. 138. - P. 17-41.
46. R. T. Birge. The general physical constants: As of august 1941 with details on the velocity of light only // Reports on Progress in Physics . - 1941. - Vol. 8. - P. 90-134.
47. , pp. 411–415
48. , pp. 416–418
49. , pp. 419–422
50. V. Rojansky. The Ratio of the Mass of the Proton to that of the Electron // Nature . - 1929. - Vol. 123. - P. 911-912.
51. E. E. Witmer. The Relative Masses of the Proton, Electron, and Helium Nucleus // Nature . - 1929. - Vol. 124. - P. 180-181.
52. W. Anderson. Über die Struktur der Lichtquanten // Zeitschrift für Physik . - 1929. - Vol. 58. - P. 841-857.
53. R. Fürth. Über einen Zusammenhang zwischen quantenmechanischer Unschärfe und Struktur der Elementarteilchen und eine hierauf begründete Berechnung der Massen von Proton und Elektron // Zeitschrift für Physik . - 1929. - Vol. 57. - P. 429-446.

Изображение галактики PKS 1413+135

Eric S. Perlman et al. / Astronomical Journal

Постоянная тонкой структуры и отношение масс протона и электрона не могли уменьшиться за последние три миллиарда лет больше, чем на 10 −6 относительно своего текущего значения. Это установили исследователи из Индии и США, статья ученых опубликована в Physical Review Letters , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Протекание всех физических процессов определяется так называемыми фундаментальными постоянными (или константами) - скоростью света, гравитационной постоянной, постоянной Планка, постоянной тонкой структуры и так далее. Эти величины входят в большинство физических законов и не зависят от того, как ученые поставили и провели эксперимент. Например, постоянную тонкой структуры можно определить, измеряя g-фактор электрона или скорость отдачи атома водорода при поглощении фотона - в обоих случаях результаты совпадают с очень хорошей точностью (до девятого знака после запятой).

Тем не менее, все эксперименты по измерению фундаментальных постоянных проводятся на Земле или сравнительно недалеко от нее (например, ). Вполне может быть, что фундаментальные постоянные вовсе не постоянны, а отличаются в разных точках Вселенной и на разных этапах ее эволюции. В самом деле, некоторые теории предполагают такое поведение (например, об этом говорится в обзоре физика Карлоса Мартинса). Поэтому ученые пытаются проверить, как постоянные меняются со временем, с помощью различных косвенных методов - например, наблюдая за красным смещением различных спектральных линий.

В этой статье группа ученых под руководством Ниссима Канекара (Nissim Kanekar) показала, что постоянная тонкой структуры α и отношение масс протона и электрона μ оставались постоянными на протяжении по меньшей мере трех миллиардов лет. Для этого они использовали два разных сателлита (satellite lines) 18-сантиметровой линии излучения радикала OH . Из-за правил отбора такие линии оказываются сопряжены, то есть имеют одинаковое очертание - если сложить оптическую толщину двух таких линий, они практически в точности компенсируют друг друга. С одной стороны, сопряженность линий гарантирует, что они излучаются одним и тем же веществом. С другой стороны, частота двух сателлитных линий по-разному зависит от параметров α и μ. Получается, что если в момент излучения эти параметры отличались от своего текущего значения, при регистрации расстояние между линиями в пространстве скоростей немного изменится, и по этому смещению можно отследить изменение параметров.

Подобные измерения частоты ученые выполнили с помощью телескопа Аресибо , который регистрировал излучение галактики PKS 1413+135 . Суммарно телескоп наблюдал за галактикой около 125 часов в период с апреля 2010 по июнь 2012 года, каждый раз сканируя ее в течение примерно пяти минут. Из-за движения Земли вокруг Солнца ученые каждый раз регистрировали линии при разных скоростях, итоговое разрешение по скорости составило около 0,18 километров в секунду. На каждом образце линии 1720 и 1612 мегагерц наблюдались одновременно. Чтобы увеличить точность измерений, ученые исключили часть данных из обработки - например, они отбрасывали события, на которых сказалась интерференция радиоволн. Кроме того, они проверяли с помощью критериев Колмогорова-Смирнова и Андерсона-Дарлинга , что спектр линий подчиняется распределению Гаусса , и исключали те измерения, для которых эти критерии не выполнялись.

Зависимость оптической толщины от скорости в гелиоцентрической системе отсчета для сателлитных линий разной частоты (слева) и сумма этих зависимостей (справа)

N. Kanekar et al. / Phys. Rev. Lett.

Затем ученые определили, при какой относительной скорости достигается максимум корреляции между спектрами линий - оказалось, что это происходит на скорости Δv ≈ +35±56 метров в секунду. Другими словами, распределения не нужно сдвигать относительно друг друга, чтобы максимум одного из них пришелся на минимум другого. Это значит, что постоянная тонкой структуры и отношение масс протона и электрона слабо изменились с тех пор, как были испущены линии. Итоговое значение для относительного изменения величины X = μα 2 составило ΔX /X ≈ (+0,97±1,53)×10 −6 , а с учетом предыдущих измерений ΔX /X ≈ (−1±1,3)×10 −6 . Поскольку галактика PKS 1413+135 имеет z ≈ 0,247, это означает, что величина X с хорошей точностью оставалась постоянной в течение последних трех миллиардов лет. Разумеется, то же самое можно сказать про изменения α и μ по отдельности.

Стоит отметить, что ранее авторы уже использовали сателлитные линии в излучении галактики PKS1413+135, чтобы определить ограничения на скорость изменения постоянной тонкой структуры. В тот раз они получили значение ΔX /X ≈ (−6,3±2,5)×10 −6 . Кроме того, другая группа ученых определила эту скорость по наблюдениям за переходами между энергетическими уровнями иона иттербия. В новой статье исследователи еще сильнее уточнили эти ограничения благодаря новым наблюдениям (примерно в шесть раз).

В октябре прошлого года американские физики-теоретики , что изменение фундаментальных констант со временем слабо влияет на первичный нуклеосинтез, в частности, на образование бериллия-8. Иначе говоря, даже если постоянная тонкой структуры и другие константы были другими на ранних этапах жизни Вселенной, это не привело бы к существенному повышению концентраций элементов тяжелее гелия, и жизнь в такой Вселенной мало бы отличалась от нашей.

Дмитрий Трунин

Главная » Глаголы » Целью изучения тонкой структуры является. Постоянная тонкой структуры