Точечные электроны, движущиеся по классическим траекториям внутри атома, — характерная черта «старой» волновой механики. Она была создана после того, как Нильс Бор с успехом объяснил спектр водорода при помощи своей орбитальной модели атома. Век этой теории был недолог, но модель Бора оказалась во многих отношениях удобнее для практических расчетов, чем те, что пришли ей на смену. Фото: Daniela Illing/Shutterstock
|
Впервые Джон Уэбб (
John Webb) — в настоящее время профессор астрофизики университета Нового Южного Уэльса (
University of New South Wales) в Сиднее — шокировал научное сообщество десять лет назад, когда опубликовал результаты своих работ по изучению спектра квазаров с помощью телескопа им. Кека (
Keck telescope) на
Гавайях. Испущенные
квазарами 12 млрд лет назад световые волны на своем пути к телескопу частично поглощались
межзвездной пылью. Длины волн, соответствующие спектральным линиям поглощения атомами магния и железа, можно было определить в наблюдениях — и одновременно рассчитать с помощью уравнений квантовой электродинамики. Результаты расчетов, как обнаружил Уэбб, расходились с данными наблюдений; это свидетельствовало о том, что миллиарды лет назад атомы магния и железа поглощали фотоны не на тех частотах, на которых они поглощают фотоны сейчас. Уэбб установил, что расхождение с теорией исчезает, если использовать в расчетах иное численное значение одной из важных в атомной физике безразмерных констант — постоянной тонкой структуры. Получалось, что эта постоянная должна быть не такой уж и постоянной: миллиарды лет назад она была на одну миллионную меньше своего нынешнего значения.
Мнения специалистов относительно фундаментальности этой константы несколько расходятся. С одной стороны, она возникает в теории как комбинация трех безусловно «более фундаментальных» констант —
заряда электрона,
постоянной Планка и
скорости света. С другой стороны, она не имеет размерности, и ее численное значение
оказывается не зависящим от выбора системы единиц, а это признак в некотором смысле «большей фундаментальности».
Появление ее в физике связано с публикацией в 1916 году статьи Арнольда Зоммерфельда (
Arnold Sommerfeld, 1868–1951). В ней формулировались условия квантования так называемой «старой волновой механики», построенной на основе теории
Нильса Бора (Niels Henrik David Bohr 1885–1962). В соответствии с этой теорией, всякий атом вещества представляет собой крошечное в сравнении со всем атомом положительно заряженное ядро, вокруг которого обращаются по круговым орбитам электроны. Размеры электронов очень малы даже в сравнении с размером ядра, и их можно поэтому считать вообще точечными.
Всего по прошествии двадцати лет была построена новая квантовая механика, в основании которой лежит
принцип неопределенности Гейзенберга, лишившая смысла разговоры о размерах электрона. Исчезли из нее и круговые орбиты: нам слишком хорошо известно, с какими скоростями электроны движутся внутри атома, чтобы можно было что-то конкретное сказать об их местоположении. Но старая теория Бора, усовершенствованная Зоммерфельдом, дала много новых идей, в полной мере использованных новыми теориями строения вещества.
В частности, на основании старой теории Бора Зоммерфельд сумел рассчитать расщепление одиночных линий в спектрах водородоподобных атомов на несколько, находящихся так близко друг к другу, что на снимке спектра их можно рассмотреть только в микроскоп. Такой эффект был известен экспериментаторам, которые начали говорить о тонкой структуре спектральных линий. И что замечательно: даже количественно старая теория давала практически тот же результат, что и новая, хотя расчеты в последней стали значительно более громоздкими и сложными.
В этой статье Зоммерфельда и появился коэффициент α, определивший степень тонкого расщепления спектральных линий. Его зависимость от
скорости света явно указывает на то, что Зоммерфельд, рассчитывая эффект, учитывал уже известные к этому времени выводы специальной теории относительности Эйнштейна, считая скорости электронов в атоме весьма большими. Он вычислил, что отношение скорости электрона на первой боровской орбите к скорости света равно постоянной тонкой структуры.
Спектры излучения элементов таблицы Менделеева оказались весьма притягательным объектом для дизайнеров. Тонкую, а потом и сверхтонкую структуру их линий стали со временем воспроизводить на самых неожиданных предметах обихода. Фото (Creative Commons license): Becky Stern
|
Уже в послевоенные годы, на рубеже 40-х и 50-х, была построена еще одна теория —
квантовая электродинамика, — описывающая взаимодействие вещества с электромагнитным полем. В ней постоянная тонкой структуры неожиданно выступила в новом качестве — это константа связи, определяющая интенсивность взаимодействия электронов с фотонами. Благодаря малости ее численного значения, в квантовой электродинамике оказалось возможным применить математическую теорию малого параметра (α в роли такового и выступила), что позволило избежать многих теоретических проблем. А уже совсем недавно постоянная α удивительным образом появилась в описании свойств графена. Весной 2008 года физик из Женевского университета Алексей Кузьменко (
Dr. Alexey Kuzmenko) и его коллеги в серии экспериментов обнаружили, что несколько слоёв
графена поглощают электромагнитное излучение с вероятностью, пропорциональной их количеству; а коэффициент пропорциональности определяется постоянной тонкой структуры.
Выводы Джона Уэбба о непостоянстве постоянной тонкой структуры по вполне понятным причинам не вызвали энтузиазма в научном сообществе, а его коллеги предположили, что в ходе наблюдений были допущены ошибки. Чтобы исключить подобные подозрения, Уэбб организовал наблюдения квазаров с помощью другого телескопа — расположенного в
Чили Очень большого телескопа (
Very Large Telescope, VLT).
Результаты наблюдений обрабатывал уже не сам Уэбб, а его аспирант Джулиан Кинг (
Julian King), рассчитывавший «обнаружить что-то похожее на данные с телескопа Кек». Не то чтобы он сильно верил в правоту своего профессора, но уж больно ему не хотелось погружаться в нудную работу по поиску ошибок в случае расхождения новых данных с чилийского телескопа и старых — с гавайского. И ему повезло: расхождений не было, результаты наблюдений квазаров с помощью чилийского телескопа соответствовали общему заключению Уэбба о непостоянстве постоянной тонкой структуры.
Однако теоретические расчеты пришлось все же переделать: постоянная тонкой структуры со временем не росла, а уменьшалась. Если провести прямую, соединяющую те облака межзвездного газа, на которые был нацелен телескоп Кека, с теми, на которые был направлен телескоп VLT, то можно сделать вывод: по мере движения вдоль прямой численное значение постоянной тонкой структуры возрастает. Постоянная тонкой структуры оказывается, таким образом, чуть меньше в одной части Вселенной и чуть больше — в другой!
Дипольные элементы антенн Национальной радиообсерватории США с резонансной частотой 74 MHz позволяют рассматривать галактики на расстоянии в миллиарды световых лет. Главный (хотя и не единственный) источник знаний о далеких галактиках — приходящее от них электромагнитное излучение. Лишь к концу ХХ века стало ясно, насколько важно уйти далеко за пределы видимых световых лучей. В случае радиотелескопов надо постараться достичь низких частот в 100 MHz и меньше. Фото: US Naval Research Laboratory
|
Но фундаментальная физическая константа не может зависеть от того, куда именно астрономы направляют свой телескоп; вспомним, что уже в специальной теории относительности один из постулатов определяет независимость скорости света и от величины, и от направления скорости, с которой движется в пространстве та система отсчета, в которой эта скорость измеряется. Сам принцип был сформулирован после отрицательного результата знаменитого эксперимента Альберта Майкельсона (
Albert Abraham Michelson, 1852–1931) и Эдварда Морли (
Edward Williams Morley, 1838 — 1923), поставленного, чтобы определить скорость света относительно «светоносного эфира». Пять лет назад этот постулат по предложению молодого ученого из Беркли (
University of California) Хольгера Мюллера (
Holger Müller) проверялся международной группой физиков, которой удалось установить, что численное значение скорости света с точностью 10
–16 не зависит от направления в пространстве.
В современной теоретической физике инвариантность законов природы — прямое и непосредственное следствие изотропности и однородности пространства и времени, то есть отсутствие выделенных направлений и мест. Понятие симметрии лежит в основе большинства современных фундаментальных теорий — от общей теории относительности до Стандартной модели в физике элементарных частиц. И хотя космологические открытия последних десятилетий ХХ века сильно подорвали господствовавшие в начале века представления о бесконечном и повсюду одинаковом космическом пространстве, существующем в неизменном (если брать достаточно большие расстояния) виде вечно, у Уэбба и Кинга образовалась весьма серьезная оппозиция. Например, Леннокс Коуи (
Lennox Cowie) из Астрономического института на Гавайях (
Institute for Astronomy in Hawaii) высказывается по поводу данных Уэбба и Кинга весьма категорично: «Гипотеза о пространственном непостоянстве постоянной тонкой структуры имеет далеко идущие последствия (is truly transformative). Это экстраординарная гипотеза. И как всякая экстраординарная гипотеза, она требует экстраординарных оснований. А их-то пока и нет».
Между тем это отнюдь не первая экстраординарная гипотеза подобного рода. Еще в 1937 году великий английский физик Пол Дирак (
Paul Adrien Maurice Dirac, 1902–1984) исследовал теорию с переменной во времени гравитационной постоянной — точнее, возможные космологические последствия такой гипотезы. Спустя три десятилетия возможное изменение во времени заряда электрона обсуждал Георгий Гамов (
George Gamow, 1904–1968). Впрочем, изменение заряда электрона при прочих равных должно немедленно отразиться на значении постоянной тонкой структуры.
Скопление галактик 1E 0657–56 на расстоянии 3,8 млрд световых лет — одно из немногих увлекаемых «темным потоком». Фото: NASA/STScI/Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.
|
Экспериментально проверить гипотезу о непостоянстве фундаментальных физических констант физики впервые смогли после июня 1972-го — благодаря открытию, сделанному специалистами из французской Комиссии по атомной энергии в ходе исследования урановой руды из рудника в городке Окло в Габоне. Выясняя причины ненормативного процентного содержания в руде разных изотопов урана, французские атомщики установили, что около двух миллиардов лет назад в Окло действовал природный ядерный реактор. Если бы два миллиарда лет назад численные значения физических постоянных отличались от современных, такой реактор не мог бы действовать. В 1982 году ленинградский физик Александр Шляхтер представил свои оценки допустимых изменений постоянной тонкой структуры. В соответствии с ними, относительное изменение постоянной α не могло превышать 10
–17 в год. Таким образом, за два миллиарда лет оно не могло измениться больше чем на 10
–8. Свою оценку дал и знаменитый Фримен Дайсон (
Freeman John Dyson) в 1996 году — не более 6×10
–17 в год.
Таким образом, земные измерения не подтверждают выводы астронома Джона Уэбба. В то же время данные Уэбба и Кинга удивительным образом согласовываются с наблюдениями Саши Кашлински (
Sasha Kashlinsky) из Годдардского Центра космических полетов NASA (
Goddard Flight Center in Greenbelt, Maryland). В 2008 году Кашлински обнаружил движущееся со скоростью около 1000 км/с гигантское скопление галактик. По аналогии с темной энергией и темной материей Кашлински назвал обнаруженное им явление «темный поток» (dark flow) — поскольку причины странного движения галактик остаются неясными. Направление их движения — участок небосвода между созвездиями Кентавр (Centaurus) и Паруса (Vela) — удивительным образом совпадает с направлением той условной линии, вдоль которой меняется постоянная тонкой структуры согласно Уэббу и Кингу.
Интригу усиливает и недавнее открытие «оси зла» (the axis of evil). Именно так Жуан Магнейжу (João Magneijo) и Кейт Лэнд (Kate Land) из Имперского колледжа Лондона (
Imperial College London) назвали аномалию в пространственном распределении температурных флуктуаций реликтового излучения. Карта флуктуаций была составлена с помощью запущенного летом 2001 года зонда WMAP (
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). И на ней можно было со всей ясностью видеть, что участки горячих и холодных флуктуаций преимущественно расположены вдоль некоторого выделенного направления.
«Ось зла». Теоретически флуктуации микроволнового фона в различных участках звездного неба не должны зависеть друг от друга. Однако наблюдения показывают наличие корреляции (это явление получило название «оси зла»). Фото: WMAP science team, Bennett, C., et.al.
|
По мнению некоторых космологов, наличие «оси зла» указывает на необходимость пересмотреть те положения теории Большого Взрыва, которые предполагают изотропность Вселенной. И хотя «ось зла» не совпадает с направлением движения «темного потока» — а значит, и с линией, обнаруженной в наблюдениях Уэбба и Кинга, — существование сразу трех аномалий заставляет по крайней мере задуматься.
.
