«Открытие года в физике»

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.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, о ней также рассказывает сайт Physics World.

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.