Стандартная модель имеет определённые пробелы. Да, она описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Но она не включает в себя гравитацию. Не даёт ответа на вопрос, что такое тёмная материя. И самое главное — она не способна объяснить, почему у нынешних фундаментальных физических констант именно такие значения. Стандартная модель также не способна объяснить или предсказать зависимость фундаментальных физических постоянных от переменных факторов, таких как пространство и время.
Поэтому физики вполне логично задаются вопросом, менялись ли со временем фундаментальные постоянные. И если менялись, то каким образом. Поскольку теория не способна нормально объяснить значения постоянных и их изменение, то остаётся единственный научный метод — прямое измерение значения фундаментальных постоянных в разных точках пространства-времени.
Для ответа на этот вопрос хорошо подходит постоянная тонкой структуры (ПТС) — одна из фундаментальных физических постоянных. ПТС определяет размер величины (расщепления) энергетических уровней атома и, следовательно, образования тонкой структуры — набора узких и близких частот в его спектральных линиях. Расщепление происходит за счёт квантового эффекта, взаимодействия двух электронов атома в результате обмена виртуальными фотонами.
Постоянная тонкой структуры — это безразмерная величина, образованная комбинацией других фундаментальных констант.
Получается, что при измерении ПТС мы сразу определяем соотношение между собой нескольких фундаментальных констант: постоянной Планка, скорости света в вакууме, числа пи и элементарного электрического заряда.
Если измерения показывают, что ПТС была иной, значит, когда-то в прошлом были другими одна или несколько следующих констант:
- постоянная Планка (из постоянной Дирака в вышеупомянутой формуле ПТС);
- скорость света в вакууме;
число пи (из постоянной Дирака в вышеупомянутой формуле ПТС);- элементарный электрический заряд.
На сегодняшний день точно известно, что соотношение данных констант равняется
7,2973525664(17)?10?3
(это рекомендованное значение ПТС на сегодняшний день).
Но что было в прошлом?
Некоторые предыдущие работы по исследованию космической эволюции постоянной тонкой структуры указывали на значительное изменение ПТС во времени. Например, на такую дельту:
??/?? = (?0,574 ± 0.102) ? 10?5 для 0,2 ? z ? 3.7 (см. работу Murphy, M. T., Curran, S. J., & Webb, J. K. "Deep Searches for High Redshift Molecular Absorption", 2003, MNRAS, 342, 830).
За 15 лет проведены и другие измерения ПТС по спектральным линиям в далёких квазарах, которые находятся в прямой видимости.
Измерение спектра
Но если одна фундаментальная константа меняется со временем, то можно предположить, что могут меняться и другие фундаментальные константы. Исходя из эволюции Вселенной, они должны меняться и сейчас, если это постоянный процесс. Сразу возникают вопрос: какие именно фундаментальные константы меняются?
Более того, появляется много новых теорий, которые пытаются исправить Стандартную модель — объединить, наконец, её с гравитацией. И эти теории предусматривают изменение фундаментальных констант со временем.
Дополнительное исследование на эту тему провели астрофизики R. F. Carswell из Института астрономии при Кембриджском университете и S. M. Kotus, M. T. Murphy из Центра астрофизики и суперкомпьютерных вычислений в Технологическом университете Суинберна. Их работа опубликована 8 октября 2016 года в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (doi: 10.1093/mnras/stw2543).
Как и предшественники, они тоже измерили тонкие структуры в спектральных линиях далёкого квазара. Для измерения выбрали квазар (QSO) HE 0515?4414, от которого свет на пути к будущей Земле прошёл через галактику, удалённую от нас в пространстве-времени на 8,5 млрд световых лет. Это самый яркий квазар с красным смещением более z = 1 в южном полушарии звёздного неба.
Измерения показали, что постоянная тонкой структуры в галактике совпадает с земной. Это значит, что 8,5 млрд лет назад в нашей Вселенной электромагнетизм был примерно таким же, как сейчас.
Учёные считают, что некорректные данные предыдущих измерений спектра квазаров объясняются тем, что другие учёные использовали не очень точные методы, в том числе на спектрографе Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph на телескопе Very Large Telescope (VLT) в Европейской южной обсерватории. Авторы нового исследования нашли способ скорректировать показания этого спектрографа с помощью другого спектрографа. Они предположили, что наблюдаемая дельта скорости (красное смещение — сдвиг спектральных линий) объясняется именно разницей в физической скорости объектов, а не дельтой ПТС. Авторы уверены, что устранили систематическую ошибку во всех предыдущих исследованиях, которые показывали разницу в ПТС (этих исследований около десятка).
Данный эксперимент противоречит другим экспериментальным данным, зато подтверждает Стандартную модель и по прежнему не позволяет совместить силу гравитации с остальными видами взаимодействий в рамках единой теории. Но учёные наверняка продолжат эти попытки. Уже через несколько лет они смогут более точно измерить спектр квазаров на новых телескопах с более точными спектрографами.
Если предположить, что Стандартная модель устояла, у учёных всё равно нет ответа на вопрос, почему 8,5 млрд лет назад фундаментальные физические постоянные были такими же, как и сейчас.
Комментарии (54)
Cole
16.11.2016 16:12-1Если предположить, что Стандартная модель устояла, у учёных всё равно нет ответа на вопрос, почему 8,5 млрд лет назад фундаментальные физические постоянные были такими же, как и сейчас.
Потому что это постоянные.tundrawolf_kiba
16.11.2016 16:15Тут скорее вопрос в том — почему они были именно такими, почему например скорость света такая какая есть, а не в 2 раза больше или в 2 раза меньше, и т.д.
Cole
16.11.2016 16:22+2Потому что именно такие значения постоянных позволяют существовать вселенной более-менее стабильно, надо полагать.
Alexmaru
16.11.2016 16:28-1собственно, дайте формулу этого «существования стабильно», и вы покорите мир. Ну или на нобелевку гульнёте.
kibitzer
16.11.2016 16:36Вот физикам хотелось бы знать, что именно привело именно к таким значениям, возможна ли вселенная с другими значениями. Почему именно они константы. Да, допустим мы это экспериментально проверили, но теоретической основы их постоянства — нет.
Конечно можно сказать, ну знаете, так сложилось и не задавать «глупые» вопросы.
rombell
17.11.2016 09:05это и называется «слабый антропный принцип», и для меня это достаточно убедительный ответ на вопрос «почему именно так, если есть другие варианты». Задача же науки — ответ на вопрос «как», а не «почему»
tundrawolf_kiba
16.11.2016 21:45Но тогда вопрос — а случайно ли так сложилось, или есть какие-то более базовые физические законы, благодаря которым константы именно такие значения имеют? Вдруг — существует другой набор констант при котором возможно зарождение не только вселенной, но и разумной жизни?
HRT5
16.11.2016 20:49-1почему например скорость света такая какая есть
в одной из статей Итана рассказывалось, что скорость распространения электромагнитной волны в вакууме зависит от длины волны и частоты ее колебания.tundrawolf_kiba
16.11.2016 21:24Но речь не о скорости распространения ЭМ волны, а о том, почему c=299 792 458 м/с, почему не другое, и случайно так сложилось, или она может быть только такой в трехмерном пространстве.
mayorovp
17.11.2016 08:43Правильный ответ — "потому что мы взяли такие единицы измерения" :)
Обсуждать можно только безразмерные соотношения разных констант, остальное не имеет смысла.tundrawolf_kiba
17.11.2016 12:52Ну вот допустим мы переводим м/с в км/ч или мили/минуты — данная константа от этого не изменится. Но ведь что-то ее заставляет принимать такое значение, которое мы меряем как c=299 792 458 м/с?
GreyhoundWeltall
17.11.2016 13:17Ее заставляет принимать именно такое значение, тк мы измерили «секунду» до этого каким-то конкретным образом и обозначили, как и метр. То есть из-за того, что метр — такой как мы описали, скорость света в метрах-в-секунду выражается именно так.
Если бы наш метр был равен чему-то другому, то и скорость света бы отличалась, но уже именно в том, новом метре.tundrawolf_kiba
17.11.2016 13:22Но ведь скорость света от этого бы все равно не поменялась. Изменилось бы ее численное выражение в новых единицах измерения. Но это не дало бы никакого ответа — почему она именно такая? Какие именно физические законы ограничивают её?
GreyhoundWeltall
17.11.2016 13:33Сама скорость — нет.
Именно это и в принципе пытаются понять ученые, на фундаментальном уровне. Какие законы «сковывают» вселенную, почему что-то работает именно так, как работает. Разве нет?tundrawolf_kiba
17.11.2016 13:35Но собственно я пытаюсь это объяснить начиная с первого комментария в этой ветке. А мне в отчет почему-то о единицах измерения рассказывают.
GreyhoundWeltall
17.11.2016 14:11Так ответ был сразу дан Cole.
«Потому что именно такие значения постоянных позволяют существовать вселенной более-менее стабильно, надо полагать.»
Более точного ответа у нас — пока — нет, ведь именно поиском таких ответов занимается наука. Смысл всей это фундаменталистики именно в том, чтобы найти максимально точные ответы на фундаментальные вопросы.
Причем никто не исключает (точнее правильно было бы «нельзя исключать») и максимально сложные ответы, вида «существуют и другие вселенные с другими константами», но это более сложные ответы, которые не проходят по Оккаму.tundrawolf_kiba
17.11.2016 14:45Ну как бы его ответ — это не причина, хоть и начинается со слов «потому что». Если считать, что это может быть причиной — тогда мы приходим к антропному принципу, что не есть хорошо. Я всего лишь указал автору, который считает, что константы имеют такое значение лишь по тому, что они константы, что на самом деле мы пока не имеем понятия — почему именно имеют они такое значение. Результат ли это детерминированных физических процессов или случай флуктуаций.
GreyhoundWeltall
17.11.2016 15:00Изначально автор совершает довольно простую ошибку, считая, что «постоянные это постоянные». Надо было просто иначе написать о том, что они постоянные не потому, что мы их такими объявили а из-за некоторых невыявленных или не до конца разобранных фундаментальных законов природы.
Это кстати довольно себе причина — просто сейчас лучшего ответа, и с точки зрения полноты ответа это не причина, но сейчас и такой ответ сгодится, ведь «мы работаем в этом направлении».tundrawolf_kiba
17.11.2016 15:03Ну все же это не причина, а следствие. Причиной это может быть только для зарождения Homo Sapiens как вида, и ученых, которые смогли эти закономерности наблюдать в частности.
GreyhoundWeltall
17.11.2016 15:55Это не может быть следствием, тк следствием является то, что эти константы работают.
А точная причина как раз неизвестна нам.
Ну, то есть, используя свои меры длины/времени мы смогли так или иначе определить эти постоянные. А использование этих постоянных в работающих схемах доказывает, что они верны, как минимум сейчас.
А вот более общий и абстрактный вопрос — как раз и не имеет ответа, во многом из-за антропного принципа (мы не можем смоделировать какие-то ситуации с другими константами и найти почему они точно не работают).tundrawolf_kiba
17.11.2016 16:42Ну почему — как раз таки попытки найти причины активно предпринимаются, та же струнная теория, или квантовая петлевая гравитация. А в будущем может и еще более интересную теорию предложат :-)
Duduka
21.11.2016 14:12+1скорость света — соотношение единицы длинны к единице времени, т.е. чисто размерная единица. В «нормальных» единицах (без расстояния до носа или период между ударами сердца сказочной твари) «c» — не просто константа, а «1 [L/T]», планковская — соотношение между единицами энергии и времени(еще могут вылезти доли пи, в зависимости от построения системы единиц), и измениться не может, энергию измеряют во времени, а не мгновенно.
Весь вопрос исследования состоял в том, что проверяли: сохраняет ли электрон свои свойства?!
black_semargl
17.11.2016 21:55скорость света — это произведение диэлектрической и магнитной проницаемости вакуума, насколько помню.
Т.е. если бы у нас был другой вакуум — была бы и другая скорость света.
Собственно, существовавший вначале «ложный вакуум» — он и есть такой другой.
Rascko
16.11.2016 16:16+4число пи
Вот это, на самом деле, звучит наиболее фантастично, на грани известной шутки про то, что в военное время значение синуса может достигать четырех.mayorovp
16.11.2016 16:19Это звучит бредово, а не фантастично. Ну, или как шутка.
BillyRubin
16.11.2016 17:17Быть может, речь идёт о самых ранних этапах формирования вселенной, когда даже сама геометрия пространства могла быть отличной от ныне существующей.
mayorovp
16.11.2016 19:13От геометрии пространства зависит отношение длины окружности к диаметру — но не число "пи". В геометрии число "пи" определяется строго на евклидовой плоскости. Если позволить числу меняться — пострадает слишком много формул, включая формулу Эйлера (которая является одним из способов задания комплексного числа).
thatsme
16.11.2016 16:56А кто сказал, что геометрия пространства всегда была именно такой какой мы её наблюдаем? Более того, геометрия пространства, совершенно точно была другой, сразу большого взрыва. Когда она стабилизровалась, и стабильна-ли сейчас, мы сказать не можем. Как она менялась в процессе развития вселенной, мы точно сказать не можем. Для того что-бы ответить на эти вопрос, нужно находиться либо за пределами системы отсчёта и быть внешним наблюдателем, либо шаманить с голографией как это делает Вандерле. Хотя даже его методы, совершенно ничего не скажут о том какова была геометрия пространства-времени в следующие пару миллионов лет после БВ. Наш предел заглядывания в прошлое 13,8 миллиарда лет. И вот на промежутке от -13,8 миллиарда лет до 0 (сейчас), мы можем проводить какие-то наблюдения. Однако, свет возраст которого 13,8 миллиарда лет, и дошедший до нас, находится в пространстве с евклидовой геометрией, в момент его наблюдения. Каковы были свойства пространства-времени, в тот момент когда фотоны были излучены, и как это пространство-время менялось в течении полёта этих фотонов до нас, точно сказать ничего нельзя.
Pshir
16.11.2016 18:35Во-первых, если вспомнить, что такое число «пи» (отношение длины окружности к её диаметру), то становится понятно, что, например, на поверхности сферы его даже определить нельзя, так как это отношение будет зависеть от размера окружности, и будет меняться от 2 до, собственно, 3.14159…
Во-вторых, значение синуса может достигать четырёх (да и любого другого числа), в случае комплексного аргумента.
Denkenmacht
16.11.2016 20:48Правильно. При этом число пи (подразумеваю величину физическую. полученную при измерениях) завасит от соотношения радиуса измеряемой окружности к радиусу сферы. Исходя из этого можно предположить, что число пи при измерении на больших расстояниях в космосе окажется другим (то есть будет существенна величина поправок).
Мы должны не задавать вопрос, почему число пи равно такому-то значению, а вопрос: какая структура пространства и времени может привести к константам заданной величины. Мы ищем неслучайности в значениях констант, но что если константы как раз величины случайные, а вот структура пространства-времени, при которой возможны такие значения констант — неслучайна?
rerf2010rerf
17.11.2016 10:59+2Таки нет. Число пи имеет в математике кучу разных определений, через ряды и прочее такое. Ваше определение годится, только если уточнить, что речь идёт о евклидовом пространстве. В других пространствах отношение диаметра к длине окружности будет, конечно же, другим, только вот числом пи оно не называется. Число пи ни от каких пространств не зависит.
vak0
16.11.2016 17:16Всегда задавался вопросом: как так природа устроила, что эти константы неизменны в пространстве и во времени? Где, собственно, они записаны? Наверное там же, где записаны физические законы, которые почему-то раз за разом выглядят одинаково в любое время и в любой точке вселенной?
dfgwer
16.11.2016 17:37«Антропный принцип» и «Ошибка выжившего»
Для нашего существования и появления нужно чтобы законы природы были именно такими и не иначе
NeoCode
16.11.2016 18:46Антропный принцип тут не при чем. Даже если бы никаких людей не было бы, константы были бы все равно одинаковые везде. И это само по себе очень интересно.
Есть что-то, что обеспечивает например единый заряд электрона для всех электронов Вселенной. Это можно интерпретировать как статическую переменную, где этот заряд хранится. До сих пор наука изучает законы физики в read-only режиме, но никто не задавался вопросом (да, это все «очень теоретически» но все-же) — а возможно ли что-то поменять? Возможно ли во Вселенной изменение каких-то факторов, изнутри или извне, при которых фундаментальные константы или функции изменятся?IndigoDSV
16.11.2016 20:49-1Даже если бы никаких людей не было бы, константы были бы все равно одинаковые везде.
А откуда такой вывод? Речь про то что, что мы можем наблюдать лишь ту вселенную (или ее вариант), в которой соотношения констант позволяют в ней возникновение людей.NeoCode
19.11.2016 00:32+1Речь вообще не о том.
Интересны не конкретные значения констант, а их константность как таковая.
Alexey2005
16.11.2016 23:52-1Для того, чтоб менять константы, явно нужны энергии совсем другого порядка, нежели те, которыми обладает человечество.
Если бы в лаборатории смогли спокойно потратить на эксперимент энергию, сопоставимую с энергией покоя Солнца, то можно было бы сконструировать кучу любопытных объектов, и константы на прочность проверить.
Read-only кстати тоже весьма ограничен из-за проблем с наблюдательными средствами. Мы по большей части смотрим вакуум, ну максимум самые поверхности объектов. А чтоб получить интересные результаты, нужно измерять константы в недрах нейтронных или даже кварковых звёзд, вблизи горизонтов событий чёрных дыр, джетах гамма-всплесков и тому подобных местах, где задействованы действительно высокие энергии.
dfgwer
16.11.2016 17:42-2Насчет числа пи. Оно разное у неподвижного диска и вращающегося диска.
igruh
16.11.2016 17:57+3Нет, число пи абсолютно одинаково и получается чисто математически сотней способов с любой наперёд заданной точностью. То, о чём вы говорите — релятивистские поправки к отношению длины окружности к радиусу в неинерциальной системе отсчёта.
valemak
16.11.2016 18:33+1Надо было голосовалку прикрутить, какие, по мнению хабравчан, постоянные изменились за последние 8,5 миллиардов лет.
Imbecile
16.11.2016 20:10Перефразируя военных:
«Считать число Пи равным три с половинной. А в военное время, достигающее четырёх».
alecv
16.11.2016 22:32+1Дак в документации число Пи было указано равным трём, а потом что-то пошло не так…
http://anton-klyushev.livejournal.com/829220.html
fivehouse
17.11.2016 09:32-1Какой-то детский сад. Снова. Что такое «постоянная» и откуда она берется? Постоянная это интегральная величина характеризующая некоторые имерения в некоторых физических процессах. Важным тут является то, что о структуре и динамике этих процессов мы понятия не имеем и заменили это «понятие не имеем» некоторым наблюдаемым числом, получающимся в ходе понятных измерений. А если мы не имеем понятия об этих процессах, то какого мы беремся рассуждать об их изменчивости/постоянности?
avost
18.11.2016 15:07>А если мы не имеем понятия об этих процессах, то какого мы беремся рассуждать об их изменчивости/постоянности?
Чтобы хоть что-нибудь узнать, не? Или — не знаем, да хрен с ним? Наука в определённой своей части состоит из формулировки гипотез и проверке их. С отбрасыванием неподтвержённых и дальнейшей работой с подтверждёнными. Ну, вот проверили гипотезы об изменчивости постоянных и другую о неизменности. На данном этапе подтверждена вторая и в указанном временнОм диапазоне опровергнута первая. Это позволяет не заниматься непродуктивными гипотезами и их последствиями, а сконцентрироваться на продуктивных. Что не так? «Здесь вам не церковь, здесь вас не обманут.» (ц)
Xaliuss
19.11.2016 01:15По поводу изменений физических констант можно прочитать фантастический роман Владимира Савченко Должность во Вселенной. Понятно, что чисто с физической точки зрения случай переменных констант обязан выглядеть совсем иначе, но описание достаточно интересное.
Имхо самой правильной для теорфизики системой измерений является та, где все единицы измерений выбраны так, что максимум констант обращается в 1. И тогда внешними остаются ПТС как в статье, гравитационная постоянная… Изменение физ. констант такое, что они не меняются обнаружить изнутри системы нельзя (тут можно порекомендовать в качестве научпопа раннего Головачева, Бич Времён и первые его продолжения).
То, что везде по нашим наблюдениям константы видимо одинаковы говорит о том, что на это есть причина, но пока соответствующей теории объясняющей взаимосвязь нет.
amarao
Изменение констант со временем звучит как ошибка на этапе компиляции.
RomanArzumanyan
Просто с памятью проблемы. Надо вытащить и ластиком протереть контакты.
amarao
rawhammer? Измеряем значение фундаментальной константы так часто, что это приводит к непроизвольному изменению соседней фундаментальной константы?