27.10.2015. - Так ли универсальны законы физики

Так ли универсальны законы физики

Насколько известно физикам, космос играет по одному своду правил с самого момента Большого Взрыва. Но могли ли эти законы быть другими в прошлом, могут ли они измениться в будущем? Могут ли в каком-нибудь удаленном уголке космоса преобладать другие законы физики?

«Это не такая уж и невероятная возможность», — говорит Шон Кэрролл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, который отмечает, что когда мы задаемся вопросом, могут ли меняться законы физики, на самом деле мы подразумеваем два отдельных вопроса: во-первых, меняются ли уравнения квантовой механики и гравитации со временем и пространством; и второе, меняются ли числовые константы, которые населяют эти уравнения.

Чтобы увидеть различие, вообразите всю Вселенную как одну большую игру в баскетбол. Вы можете настроить некоторые параметры, не изменяя игру: поднять обруч немного выше, сделать площадку немного больше, изменить условия победы, и игра все еще будет баскетболом. Но если вы скажете игрокам пинать мяч ногами, это будет совершенно другая игра.

Большинство современных исследований изменчивости физических законов сосредоточены на числовых константах. Почему? Да очень просто. Физики могут сделать уверенные, проверяемые предсказания о том, как изменения числовых констант повлияют на результаты их эксперименты. Кроме того, говорит Кэрролл, физика не перевернется, если окажется, что эти постоянные меняются со временем. На самом деле, некоторые константы изменились: масса электрона, например, была нулевой, пока поле Хиггса не развернулось через крошечную долю секунды после Большого Взрыва. «У нас есть множество теорий, которые могут вместить изменяющиеся константы, — говорит Кэрролл. — Все, что вам нужно, чтобы учесть зависимые от времени константы, это добавить некоторое скалярное поле в теорию, которое движется очень медленно».

Скалярное поле, объясняет Кэрролл, это любая величина, которая имеет уникальное значение в каждой точке пространства времени. Известным скалярным полем является хиггсово, но может представить и менее экзотические величины, вроде температуры, в виде скалярного поля. Пока не открытое скалярное поле, которое меняется очень медленно, может продолжать эволюционировать спустя миллиарды лет после Большого Взрыва — а вместе с ним могут эволюционировать и так называемые константы природы.

К счастью, космос одарил нас удобными окошками, через которые мы можем наблюдать за константами, какими они были в глубоком прошлом. Одно из таких окон находится в богатых урановых месторождения региона Окло в Габоне, Центральная Африка, где в 1972 году рабочие по счастливой случайности обнаружили группу «природных ядерных реакторов» — породы, которые спонтанно зажглись и поддерживали ядерные реакции в течение сотен тысяч лет. Результат: «Радиоактивные ископаемые того, как выглядели законы природы» два миллиарда лет назад, говорит Кэролл. (Для сравнения: Земле порядка 4 миллиардов лет, а Вселенной порядка 14 миллиардов).

Характеристики этих ископаемых зависят от особого значения под названием постоянная тонкой структуры, которая сливается с горсткой других констант — скорости света, заряда электрона, электрической постоянной и постоянной Планка — в одно число, примерно 1/137. Физики называют это «безразмерной» постоянной, то есть это просто число: не 1/137 дюйма, секунды или кулонов, а просто 1/137. Это делает ее идеальным местом для поиска изменений связанных с ней постоянных, говорит Стив Ламоро, физик из Йельского университета. «Если бы постоянные изменились таким образом, что изменили бы массу электрона и энергии электростатического взаимодействия, это отразилось бы и на 1/137, независимо от системы измерений».

И все же, интерпретировать эти ископаемые нелегко, и на протяжении многих лет ученые, изучающие Окло, приходили к противоречивым выводам. Исследования, проводимые десятками лет, Окло показали, что постоянная тонкой структуры была абсолютно стабильной. Затем появилось исследование, показывающее, что она стала больше, а потом еще одно, которое утверждало, что она стала меньше. В 2006 году Ламоро (тогда сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории) и его коллеги опубликовали свежий анализ, который был, как они написали, «устойчивым без сдвигов». Однако «зависим от модели» — то есть им пришлось сделать ряд допущений о том, как могла бы измениться постоянная тонкой структуры.

Используя атомные часы, физики могут выискивать самые крошечные изменения в постоянной тонкой структуры, но ограничены современными вариациями, которые происходят в течение года или около того. Ученые из Национального института стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо, сравнили время, отсчитываемое атомными часами, работающими на алюминии и ртути, чтобы поставить чрезвычайно жесткие ограничения на каждодневное изменение постоянной тонкой структуры. Хотя они не могут с уверенностью сказать, что постоянная тонкой структуры не меняется, если она меняется, то вариации крошечные: одна квадриллионная процента каждый год.

Сегодня лучшие ограничения того, как могут меняться постоянные в течение жизни Вселенной, вытекают из наблюдений за удаленными объектами на небе. Все потому, что чем дальше в космос вы посмотрите, тем дальше назад во времени вы сможете заглянуть. «Машина времени» Окло остановилась два миллиарда лет назад, но используя свет далеких квазаров, астрономы перевели космическую машину времени на 11 миллиардов лет назад.

Квазары — чрезвычайно яркие древние объекты, которые астрономы считают светящимися сверхмассивными черными дырами. По мере того как свет этих квазаров движется к нам, некоторая его часть поглощается газом, через который он проходит на пути. Но поглощается неравномерно: вынимаются лишь конкретные длины волн, или цвета. Конкретные цвета, «удаленные» из спектра, зависят от того, как фотоны света квазара взаимодействуют с атомами газа, и эти взаимодействия зависят от постоянной тонкой структуры. Так, глядя на спектр света далеких квазаров, астрофизики могут искать изменения постоянной тонкой структуры на протяжении многих миллиардов лет.

«К тому времени, как этот свет достигнет нас здесь, на Земле, он соберет информацию о нескольких галактиках на миллиарды лет назад, — говорит Тайлер Эванс, ведущий исследователь квазаров в Технологическом университете Суинберна в Австралии. — Это аналогично срезу вечного льда на Земле с целью выяснить, каким был климат предыдущих эпох».

Несмотря на некоторые дразнящие намеки, последние исследования показывают, что изменения постоянной тонкой структуры «соответствую нулю». Это не значит, что постоянная тонкой структуры совершенно не меняется. Но если меняется, то делает это более тонко, чем могут уловить наши эксперименты, а это уже маловероятно, говорит Кэрролл. «Трудно втиснуть теорию в что-то среднее между совсем не меняется и меняется так, что мы не замечаем».

Астрофизики также ищут изменения G, гравитационной постоянной, которая связана с силой гравитации. В 1937 году Поль Дирак, один из пионеров квантовой механики, предположил, что гравитация становится слабее по мере старения Вселенной. Хотя эта идея не подтверждается, физики продолжают искать изменения в гравитационной постоянной, и сегодня ряд экзотических альтернативных теорий гравитации включают сдвиг гравитационной постоянной. Хотя лабораторные эксперименты на Земле вернули запутанные результаты, исследования за пределами Земли показали, что G не особо меняется, если меняется вообще. Не так давно радиоастрономы отметили 21 год сбора точных данных о тайминге необычно яркого и стабильного пульсара, с целью поиска изменений его обычного «сердцебиения» в виде радиоизлучений, указывающих на изменения гравитационной постоянной. Результат: ничего.

Но вернемся ко второй, более жесткой половине нашего изначального вопроса: могут ли сами законы физики, а не только постоянные, вшитые в них, изменяться? «На этот вопрос ответить куда сложнее, — говорит Кэрролл, отмечающий также, что стоит иметь в виду разные степени изменений. Если законы ряда подтеорий квантовой механики, вроде квантовой электродинамики, окажутся податливыми, возможно, существующие теории смогут ужиться с этим. Но если окажутся изменчивыми законы квантовой механики, говорит Кэрролл, «это будет очень странно». Ни одно теория не предполагает, как или почему может случиться такое изменение; просто нет рамок, в которых можно было бы изучить этот вопрос.

Исходя из всего, что у нас есть, можно сказать, что Вселенная ведет честную игру. Но физики будут уточнять свод правил, ища подсказки, которые могут указать на изменение правил игры на уровне, который мы пока не воспринимаем.

http://hi-news.ru/space/a-tak-li-universalny-zakony-fiziki.html