На краю вселенной есть сбой, который может переделать физику

1. Реклама
2. Горсть констант
3. Перемена на земле

Это хорошо держится в секрете, но мы знаем ответ на жизнь, вселенную и все остальное. Это не 42 - это 1/137.

Это неизменное число определяет, как горят звезды, как происходит химия и даже существуют ли вообще атомы. Физик Ричард Фейнман, который знал об этом одну или две вещи, назвал ее «одной из величайших проклятых тайн физики: магическое число, которое приходит к нам без понимания».

Реклама

Теперь его загадка углубляется. Спорные намеки предполагают, что это число, возможно, не является универсальной константой, которую мы предполагали, а слегка изменяется во времени и пространстве. Если это подтвердится, это будет иметь глубокие последствия для нашего понимания физики, заставляя нас пересмотреть основные предположения о структуре реальности. Хотя рассуждения об истинном значении полученных результатов бушуют, эксперименты, изучающие как глубину космоса, так и тонкодисперсную структуру реальности в лаборатории, теперь должны дать окончательный вердикт - возможно.

Идея, что постоянные природы - такие вещи, как скорость света, сила сил и массы различных частиц - не может быть таким постоянным, имеет выдающуюся историю. В 1937 году физик Поль Дирак написал в журнал Nature , ставя под сомнение попытки астронома Артура Эддингтона вычислить константы с нуля. Как мы можем быть уверены, что они не изменились за космологическое время?

В качестве примера можно привести константу тонкой структуры, также известную как альфа. Альфа лежит в центре теории, созданной Дираком и над которой работал Фейнман: квантовая электродинамика, или КЭД. Это квантовая теория электромагнитной силы, и описывает взаимодействия между светом и веществом. Альфа определяет их силу. Он сам построен из скорости света, заряда электрона, число Пи - немногие физические теории являются полными без числа пи - и пара других фундаментальных констант, тщательно выстроенных так, чтобы это было просто чистое число, не зависящее от человеческого влияния: 0,00729735, всего в одном шаге от 1/137.

Измените это число на smidgen, и вы измените вселенную. Увеличьте его слишком сильно, и протоны отталкивают друг друга так сильно, что маленькие атомные ядра не могут удерживаться вместе. Идите немного дальше и термоядерная реакция фабрики в звездах останавливаются и больше не могут производить углерод, элемент, на котором основана жизнь. Альфа становится намного меньше, и молекулярные связи распадаются при более низких температурах, изменяя многие процессы, необходимые для жизни.

Горсть констант

Большая ошибка физиков заключается в том, что наши теории природы требуют от нас вводить набор произвольных чисел, чтобы они отражали реальность. Кажется, что нет никаких рифм или причин для этих чисел: они просто есть, и мы должны измерить их в экспериментах.

• Стандартная модель физики элементарных частиц требует как минимум 19 таких чисел, включая константу тонкой структуры , также известную как альфа, массу бозон Хиггса и множество других, характеризующих массы частиц и силы взаимодействия.

• Чтобы воспроизвести физику в целом, вы должны добавить в гравитационная постоянная (он же «большой G»), скорость света и постоянная Планка , которая дает базовый размер квантовых вещей.

• Стандартная космологическая модель требует еще 12 параметров, включая Постоянная Хаббла , который описывает скорость расширения вселенной и факторы, связанные с темная материя а также темная энергия плотности .

На Земле, по крайней мере, альфа держится в строгих рамках. Лабораторные эксперименты показывают, что самое большее, что может измениться у нас в лесу - это несколько частей на 10 миллиардов. Это делает это В 100 000 раз точнее, чем «большой G» например, постоянная, которая определяет силу тяжести.

Но, как намекнул Дирак, возможно, электромагнитные взаимодействия были слабее или сильнее в прошлом или различны в отдаленных частях Вселенной. Это может быть важно в то время, когда физики, похоже, зашли в тупик в своих усилия раскрыть более глубокие истины о реальности , «У нас есть базовый набор уравнений, которому полвека, и он никогда не противоречил никаким измерениям», - говорит он. Карло Ровелли в университете Экс-Марсель во Франции. «Если бы мы нашли измерение, которое отличается от этого, это было бы большое дело: наконец-то что-то действительно новое». Паоло Моларо , который исследует изменения в константах в Астрономической обсерватории Триеста, Италия, соглашается. «Если бы вариации присутствовали, они открыли бы новую физику», - говорит он.

Это может включать в себя наличие дополнительных измерений, например. Теория струн, одна надежная ставка для теории физики следующего поколения, предлагает существование крошечных, свернувшихся размеров мы не можем видеть. Это влияет на такие вещи, как альфа. «Статус величин, которые мы называем постоянными, несколько ухудшается, если вы считаете, что существуют дополнительные измерения», - говорит космолог Джон Барроу из Кембриджского университета. «Если существует действительно девять или десять измерений пространства, и только три больших, то истинные неизменные константы природы живут в общем количестве измерений, и наблюдаемые нами трехмерные тени не являются истинными константами».

Для физика Джон Уэбб возможность изменения альфа стала предметом почти одержимости два десятилетия назад. В 1996 году он был молодым исследователем из Австралии, посетившим Барроу, затем в Университете Сассекса, Великобритания. Они начали обсуждать размышления Дирака о непостоянных константах. Уэбб задавался вопросом, может ли свет, собранный некоторыми из наших самых мощных телескопов, решить этот вопрос.

Часть этого света путешествовала очень и очень долго. Телескопы Кека на вершине Мауна-Кеа, самой высокой точки Гавайских островов, могут воспринимать свет, излучаемый чрезвычайно светящимися ядрами галактик или квазарами, около 12 миллиардов лет назад. На своем пути к Земле часть этого света прошла сквозь газовые облака, которые поглощают волны определенной длины. Это дает важную опору на альфа. «Если вы меняете альфу, вы меняете степень притяжения между электроном и ядром», - говорит Уэбб. Это изменяет длины волн, поглощаемых данным атомом - это означает, что спектр поглощения создает своего рода штрих-код, уникальный для значения альфа, когда спектр был создан.

Вместе с коллегами из Университета Нового Южного Уэльса Уэбб разработал новый метод анализа этих сложных спектров поглощения и применил его к квазарным данным Кека. К 1998 году он и его сотрудники, включая Барроу, получили свои первые результаты: от 12 до 6 миллиардов лет назад, альфа увеличилась в среднем шесть частей на миллион. В то время этого было недостаточно, чтобы существенно повлиять на физику. Но это было изменение.

Это был сенсационный результат, и мало кто поверил в это - возможно, по уважительной причине. «Поиск различных альфа-доказательств технически очень сложен», - говорит Барроу. В анализе было только 23 спектра, и все они были получены с телескопа Кека, что повышает вероятность того, что систематическая ошибка в устройстве может исказить данные.

Это было начало длительной игры в кошки-мышки. Уэбб и меняющаяся группа соавторов опубликуют свежий анализ показывая изменение используя новые или другие данные, и какая-то другая группа опровергнет результат , Каждый раз команда Уэбба опровергала опровержения, одновременно работая над поиском источников систематической ошибки для себя. Тем временем они также получили доступ к данным другого телескопа, Очень Большого Телескопа (VLT), высоко в чилийских Андах.

Их последнее утверждение об альфе состоит в том, что она меняется постепенно и приблизительно линейно с расстоянием от Земли , «Если мы пройдем расстояние, соответствующее расстоянию, пройденному светом после Большого взрыва, мы окажемся в той части Вселенной, где физика только начинает заметно отличаться», - говорит Уэбб. Однако после Большого взрыва Вселенная расширяется, поэтому космос расширяется даже дальше. Линейная прогрессия предполагает, что в этих невидимых областях альфа может варьироваться настолько, что сама вселенная начнет выглядеть совсем иначе. «Там может быть так по-другому, что жизнь, о которой мы знаем, не может существовать», - говорит Уэбб.

Он признает, что это все еще очень умозрительно. Величины погрешности данных велики, и при более точных измерениях отклонение может исчезнуть.

Майкл Мерфи Суинбернского университета в Австралии, безусловно, думает, что так и будет. Мерфи много лет работал над альфой, а Уэбб был его научным руководителем. Никто, кроме Уэбба, не знает аппаратного обеспечения, данных или методов анализа лучше. В 2014 году Мерфи утверждал, что, наконец, нашел ошибку, которая аннулировала утверждения о переменной альфа.

Он и его коллега из Суинберна Джонатан Уитмор поняли, что свет от лампы, используемой для калибровки их анализирующего прибора, не проходил через те же повороты, что и космический свет. Когда они откалибровали прибор светом от близлежащих астрономических тел, таких как солнце, подобные солнцу звезды или светоотражающие астероиды, это изменило результаты. «Мы обнаруживаем, что это искажает спектры, смещая некоторые линии в направлении других линий, а другие - в сторону от других линий в зависимости от того, где вы находитесь в спектре», - говорит Мерфи. Этого достаточно, чтобы создать иллюзию изменчивой альфы.

В 2017 году, работая с Винсентом Дюмонтом из Калифорнийского университета в Беркли, Вебб опроверг это. Анализ данных ошибочен, как утверждают пары, и применяется только к подмножеству результатов, полученных из VLT, а не к исходным результатам из Keck. Мерфи соглашается с этим, но говорит, что его уверенность в этих результатах «подорвана».

Однако он не уходит. «Мы до сих пор не понимаем фундаментальных констант: эта мотивация не изменилась», - говорит он. «Мы должны пытаться измерить эти вещи как можно лучше и везде, где можем. Мы просто должны действовать по-другому - и лучше - в будущем ».

Это уже происходит. Новые эксперименты направлены на то, чтобы измерить альфа с большей точностью в лаборатории, чем когда-либо прежде (см. « Перемена на земле «). Между тем, в ноябре в сети появится новый прибор VLT - Echelle Spectrograph для Рокки-экзопланеты и стабильного спектроскопического наблюдения, или ЭСПРЕССО , По оценке Мерфи, это машина мечты для измерения спектров квазаров. «Это супер-сверхстабильный спектрограф, который решит этот вопрос», - говорит он.

По словам Франческо Пепе, главного исследователя прибора, эксплуатация ESPRESSO не будет простой ходьбой - им сначала придется откалибровать его и, как правило, разобраться с ним. «Мы считаем, что к концу 2019 года мы сможем подтвердить или исключить нынешние заявления об изменчивости постоянной тонкой структуры α на уровне нескольких частей на миллион», - говорит он. ESPRESSO должен быть в состоянии искать изменения за последние 10 миллиардов лет - возможно, больше - и исследовать всю наблюдаемую вселенную. «Я думаю, что перспективы значительного прогресса сейчас действительно хорошие», - говорит Барроу.

Тем временем Уэбб ослепает с научной точки зрения. Получение значения альфа из спектров квазара предполагает субъективное принятие решения о том, какие части спектров включать. Иногда заманчиво игнорировать области спектра, которые не «интересны», потому что у них слишком мало линий поглощения, но эти упрощения могут исказить результаты. Чтобы избежать этого, Уэбб и ученик Мэтью Бейнбридж создали алгоритм машинного обучения это требует тщательного, объективного взгляда на необработанные данные. «Мы изменили весь процесс принятия решений вручную и бросили проблему на целый ряд суперкомпьютеров», - говорит Уэбб.

Он будет смотреть на результаты только после того, как машина сократит 1000 измерений, «запечатанную оболочку», которая устраняет искушение преуменьшить отдельные измерения, которые не соответствуют гипотезе. В сумке в настоящее время около 500 измерений, и работа должна быть завершена примерно в то же время, что и анализ ESPRESSO, говорит Уэбб.

Тогда, независимо от результата, он уйдет. «Время идет, и есть другие вещи, которые вы хотите делать в жизни», - говорит Уэбб. «Я буду работать над этим до конца 2020 года, посмотрим, каковы будут результаты, и пусть кто-то другой возьмется за дело». Он не думает, что вопрос о непостоянных константах будет решен даже тогда. «Это началось с Дирака в 1937 году; это не закончится внезапно в 2020 году », - говорит он. «Но это может стать чужой заботой».

Перемена на земле

Несмотря на противоречивость, новаторская работа Джона Уэбба по вариациям постоянной альфа привела к тому, что универсальные законы природы могут быть не постоянными, а различными в пространстве и времени.

В июне этого года Чарльз Кларк из Национального института стандартов и технологий США и его коллеги выложил схему лабораторных экспериментов это может искать изменения в физических константах. Один из них - просто синхронизировать два атомных часа и посмотреть, с течением времени происходит ли эта синхронизация.

Эксперименты могут обеспечить золотой стандарт, с которым можно сравнивать любые будущие утверждения о вариациях, и дать подсказки, которые помогут физикам выйти за рамки стандартной модели физика частиц Наше текущее наиболее последовательное описание того, как работает вселенная. «Мы знаем, что стандартная модель должна где-то выйти из строя», - говорит Кларк. «Вариации были бы несовместимы с преобладающими теориями физики».

Ранее в этом году эксперименты обеспечили самое точное измерение альфы на Земле. Хольгер Мюллер и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли наблюдали за взаимодействием между фотонами и атомами цезия. значение Pin альфа до лучше, чем одна часть из миллиарда , Это близко к исключению определенных предложений для физики после стандартной модели. И это еще не все. «Мы строим новый эксперимент и считаем, что в ближайшие несколько лет мы сможем добиться порядка», - говорит Мюллер.

Но Уэбб считает, что земные эксперименты лают не то дерево. Любые изменения в альфе, вероятно, обнаруживаются только в космологических временных масштабах, говорит он. «Может быть, например, что изменения произошли быстро в ранней вселенной, но сегодня изменений мало или нет вообще», - говорит Уэбб. «Если это так, наземные эксперименты никогда не обнаружат изменений, независимо от того, насколько они точны».

Эта статья появилась в печати под заголовком «Неправильный номер»

Больше на эти темы:

Похожие

Комментарии