Постоянная борьба, неутихающая битва за достижение успеха в негостеприимном окружении – вот цена всех великих достижений.
— Орисон Свет Марден
Одно из величайших наших предположений, принимаемых во время изучения законов природы, состоит в том, что они на самом деле окажутся универсальными законами – безотносительно места и времени, в которое мы их изучаем.
Изучаем ли мы родную планету, нашу Галактику, ближайшие к нам галактики (как NGC 4522 на фото) или чрезвычайно удалённые от нас галактики (едва различимые на фоне), мы всегда предполагаем, что фундаментальным законам, управляющим Вселенной, в принципе всё равно, когда и как мы их измеряем.
Но ведь это может быть и не так.
Мы предполагаем, что во всей Вселенной законы и фундаментальные постоянные одинаковы – во все времена и во всех направлениях – поскольку всё выглядит именно так.
Галактики скапливаются одинаковым образом во всех наблюдаемых направлениях, с ними происходят сходные гравитационные явления, они показывают схожую внутреннюю динамику, вне зависимости от того, в какое место или время Вселенной мы заглядываем. Если бы это было не так, мы бы уже задались вопросом, не меняются ли законы гравитации или даже фундаментальная гравитационная постоянная, G, в зависимости от времени или места.
Точно так же, если бы электромагнитные или квантовые явления изменялись бы в зависимости от места или времени, или различались в зависимости от направления, мы могли бы переживать по поводу наших электромагнитных и квантовых законов и/или констант.
Исходя из ограничений реликтового излучения можно показать, что – с момента, когда Вселенной было 380 000 лет, до сегодняшнего времени, когда ей 13,8 млрд лет – скорость света могла бы изменяться не более, чем на 4% – впечатляющее ограничение!
Есть довольно много теоретических причин, по которым можно ожидать, что фундаментальные постоянные, такие, как постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная Ньютона, останутся постоянными. Но всегда есть вероятность существования небольших колебаний значений этих параметров – во времени или в пространстве. Единственный способ убедиться – измерить их.
Как же это сделать? В теории всё просто.
Самый распространённый элемент во Вселенной – водород; количественно более 85% атомов во Вселенной составляют атомы водорода, даже спустя более 13 млрд лет сгорания водорода в ядерном синтезе в недрах звёзд. Выше показаны хорошо известные атомные переходы водорода. Так что, можно представить такой эксперимент: если измерить спектральные линии водорода во всех направлениях и на различных расстояниях (а значит, в разное время в прошлом), мы можем увидеть, поменялись или нет фундаментальные константы, определяющие эти частоты.
На практике мы можем сделать ещё лучше.
Водород испускает не только сигналы, связанные с его основной атомной структурой. В частности, я говорю о тонких и сверхтонких структурах атомных переходов и о тяжёлом и стабильном изотопе водорода, дейтерии.
Человек, разработавший лучшую технику измерения тонкой структуры на больших красных смещениях, и мировой эксперт в этой области – австралийский учёный Джон К. Вебб. Постоянная тонкой структуры – это комбинация из нескольких известных констант, среди которых заряд электрона, постоянная Планка, скорость света и ?. Если бы одна из них менялась (маловероятно, что это была бы ?), это стало бы удивительным известием! Мы так много времени уделяем постоянной тонкой структуры, поскольку её так точно измерили. Конкретно, эта постоянная, ?, равна
Измеряя эту константу, Вебб (а он занимался этим ещё тогда, когда я начал учиться в аспирантуре) берёт лучшие из видимых мною спектров квазаров. В частности, он изучает линии поглощения промежуточных облаков водородного газа, находящихся между нами и квазаром. Вот пример из его работы от 2002 года.
Если постоянная тонкой структуры на самом деле не меняется, можно ожидать получения из этого спектра одинаковых свойств для всех поглощающих облаков водородного газа. Но команда Вебба обнаружила в спектрах доказательства противного (1, 2, 3, 4, 5, 6).
Они обнаружили – и обнаруживали постоянно в течение более десяти лет – то, что в далёком прошлом постоянная тонкой структуры была немного другой, отличаясь на несколько миллионных долей! Эффект этот мал, но их анализ ошибок уже изучали, проверяли, критиковали, – и всё равно многие независимые источники подтвердили его правильность. Грубо говоря, они занимаются наукой так, как это нужно делать.
И хотя наземные измерения показывают, что здесь у нас она за последние 4 с лишним млрд лет не менялась, это не значит, что она не может отличаться в других частях Вселенной, или же не менялась ещё раньше, чтобы стать постоянной только в последнее время. Эти данные ещё предстоит объяснить.
Конечно, всё это весьма противоречивые данные. В настоящий момент создаётся впечатление, что эти данные, несмотря на их подозрительность, надёжные. С самой работой можно ознакомиться по ссылке, и все изображения взяты из неё.
Как видно, кажущиеся вариации выглядят ещё более крупными – вплоть до 50 миллионных частей – если рассматривать отдельные системы. Но это не случайные пространственные вариации. Накоплено достаточно данных, подтверждающих, что даже если учесть случайные вариации, всё равно выходит, что в одном направлении во Вселенной эта константа оказывается больше, а в другом – меньше. Сейчас при помощи двух различных инструментов были измерены сотни разных систем, и результаты не только были подтверждены и выдержали проверку временем за последние десять лет, но и показали весьма большую значимость, порядка 5-?. А это очень сильно раздражает.
Почему? Потому что им не существует хорошего и простого объяснения! Так что же происходит?
Недавно Джон Вебб написал статью по поводу этих результатов. Вкратце, он разработал эту новую технику обработки данных по линиям поглощения 12 лет назад, и она примерно на порядок лучше любых других технологий измерения этих вариаций, и, судя по всему, вариации оказываются в 4-5 раз больше погрешности. Константа изменяется в зависимости от направления в космосе, как для облаков с малым, так и с большим красным смещением, и её нельзя объяснить с использованием современной физики.
У меня нет хорошего теоретического объяснения этого факта. Среди тех объяснений, способных привести к такому эффекту, что я могу вообразить – к примеру, происходящая в этих облаках сегрегация элементов – нет физически разумных, и тем более, хорошо мотивированных. С точки зрения наблюдений я мог бы отметить, по меньшей мере, одну причину для сомнений. Данные получены от двух инструментов – обсерватории Кека и VLT. Хотя данные с Кека показывают результат с большой статистической значимостью, как на малых, так и на больших красных смещениях, данные с VLT не показывают такого результата на малых красных смещениях, и показывают не такой значимый результат на больших (всего 3-? вместо 4 или 5-?).
Всё, что можно сказать по этому поводу, уже сказали авторы: возможно, с этой технологией есть какие-то проблемы, или с ней связаны ошибки, которых мы не понимаем. Если бы у нас были только данные от VLT, мы бы не заметили ничего примечательного. Только комбинация данных с Кека и VLT показывает хороший результат.
Последствия этого эффекта столь тревожны, что я склонен требовать – как и в случае с нейтрино, якобы передвигавшихся быстрее света – экстраординарных доказательств, подтверждающих такие экстраординарные заявления. Как должны выглядеть эти доказательства? Отдаю должное Джону Веббу за прекрасное описание именно тех двух вещей, которые хотел бы видеть и я:
Подобные измерения в будущем, ведомые по двум противоположным направлениям, максимально увеличат чувствительность обнаружения, а повтор измерений на двух независимых телескопах лучше ограничит их систематику. Что ещё важнее, для проверки этих результатов требуется независимая техника измерений.
После того, как они определили направление этих вариаций постоянной тонкой структуры, в этих направлениях нужно смотреть при помощи нескольких инструментов! Если у всех инструментов будет наблюдаться сходный большой и независимый эффект, мы будем знать, что дело не в дефекте инструмента и не в малом количестве источников.
Если мы проведём такие измерения и эффект останется, то у нас будут все причины для уверенности в наших достижениях. Но всё равно это может оказаться странным артефактом этой техники, даже если будет непонятно, почему именно такое происходит. Так что для проверки требуется найти ещё и независимую технику измерений.
Для этого необходимо вместо атомных линий поглощения использовать ещё более точный переход – 21см радиолинию нейтрального водорода! Потенциально она может быть ещё более точной, чем техника Вебба, и может измерять промежуточные газовые облака, находящиеся аж на расстоянии реликтового излучения, с красным смещением до 1089 (по сравнению с этим сегодняшнее «крупное красное смещение» размером в 3 или 4 выглядит смешно). Но на данный момент такое измерение способно ограничить постоянную тонкой структуры всего до нескольких тысячных долей. На практике для получения подобной точности необходимы финансовые влияния, находящиеся за пределами разумного.
Возможно, из-за этого Вебб так печально заканчивает свою статью:
Как я уже писал в начале, никто нам пока не верит, и нам предстоит долгое сражения. Иногда мне кажется, что я могу не дожить до появления доказательств. Работа технически сложная и требует получения очень большого количество данных с очень дорогих научных станций, а их анализ отнимает много времени и сил. Но иногда я более оптимистичен и напоминаю себе, что сейчас я жив и здоров, и работаю над этим.
Всё-таки это очень необычная заявка, но сделана она была не потому, что кто-то сделал что-то безумное. Сделана она потому, что некто сделал нечто удивительное, что только выглядит безумным! Так что эти утверждения действительно требуют экстраординарных доказательств, но именно их поиском и занимаются все, кто занят в этой области. Не могу дождаться, чтобы посмотреть, как оно всё обернётся!
Комментарии (15)
dfgwer
18.03.2017 02:07+1То есть найдено свидетельство о неполноте нашей физики? Не знал. Очень интересно, что дальше будет. Новые законы физики, изменение фундаментальных констант, революция может быть грандиозной.
Calvrack
18.03.2017 15:12Так а что такое неполнота физики? Она как большинство наук — неполна просто потому что имеет явно прописанные границы применимости. Сам феномен большого взрыва — это свидельство неполноты. Если использовать современные известные законы ретроспективно — то кажется что должна быть сингулярность. Но это настолько противоречивая и математически нестройная конструция, что я не уверен что кто-то в нее верит вообще. А значит есть сильный намек, что при тех энергиях должна быть какая-то другая физика.
tundrawolf_kiba
21.03.2017 13:28Да свидетельств то полно. Да плюс вероятность что-то неожиданное получить на высоких энергиях коллайдеров. Проблема в том, что сколько-то внятных гипотез для этого нет. А в тех случаях, когда есть гипотеза — ее невозможно проверить(т.е. фактически считай, что нет)
DharmaFucker
18.03.2017 02:09-6Слова ницсше про бездну смотрящую в тебя, возможно, станут более уместны в будущем современной науки. Которая и так, всматривалась "туда" слишком долго. Права была церковь когда запрещала подзорные трубы:)
vanxant
18.03.2017 04:18+3Два замечания:
1. У нас пока что теория относительности не дружит с квантмехом. Вот как раз очень наглядный пример из оптики. Прошедший через отверстие единичный фотон вполне себе можно сфотографировать современной техникой, выглядит он так (центральная часть называется диском Эйри):
На этой фотке отлично видно квантовую (вероятностную) природу «размазывания» фотона в пространстве. Видно, что он занимает область, размер которой зависит от его длины волны, но с некоторой вероятностью может обнаруживаться и вне этой области. Мы можем и посчитать, и по подобной фотографии — экспериментально измерить не только «среднее» положение фотона, но и отклонение (неопределённость, обозначим её ?x) этого положения.
Дальше можно вспомнить принцип неопределённости, который говорит, что ?x ?p >= h/2?, где постоянная Планка h это единичный квант момента импульса, и посчитать отсюда неопределённость импульса фотона ?p.
Пока всё хорошо, но этот самый импульс фотона равен h?/c, где ? — частота фотона, и для всяких например линий водорода это есть величина квантованная, т.е. её неопределённость равна нулю (что и используется в данной статье). Значит, неопределённость должна быть в мировых константах h и c… Вот только неопределённость в постоянной Планка похоронит современную квантовую механику, а неопределённость в скорости света будет означать, что некоторые фотоны двигаются со сверхсветовыми скоростями…
2. Ну и второе замечание. В статье рассматривается постоянная тонкой структуры, в которую входят скорость света, постоянная Планка и заряд электрона (остальные константы это просто размерные коэффициенты для используемой системы мер). Для четвёртой фундаментальной постоянной, гравитационной постоянной G, всё тоже очень плохо с измерениями. Точнее самих точнейших измерений — десятки, если не сотни, и сделаны они очень уважаемыми коллективами на уникальнейших инструментах, но если их нанести на один график, то стыковаться они будут ещё хуже, чем на картинке в этой статье, которая подписана Fractional look — back time. Я такой сводный график видел, но, к сожалению, у меня не получается сейчас его нагуглить.
VIK52
19.03.2017 20:40+2Ну и ну. Чем же это вы сфоткали "единичный фотон"? На фотке отлично видно дифракционную картину совершенно классического электромагнитного поля. Которая создается множеством фотонов, дискретно взаимодействующих с атомами матрицы (или фотопленки)
kauri_39
20.03.2017 23:00У меня к Вам тоже вопрос. Часто говориться, что единичная частица может одновременно проходить через две щели, создавая интерференционную картину на экране. Мне кажется, это заблуждение. Ведь с экраном взаимодействует всегда одна частица, и в тех его точках, расстояние между которыми кратно длине волны этой частицы. Следующая частица также может проходить через любую из двух щелей и поглощаться в таких же точках экрана. Множество таких поглощений частиц экраном и создаёт на нём интерференционную картину. Верно?
VIK52
20.03.2017 23:39Нельзя утверждать ни что 1)частица проходит через одну щель, ни что 2)частица проходит через обе щели. Это все домыслы. Первое утверждение неверно потому, что при его экспериментальной проверке (закрытии другой щели) интерференция исчезает. Второе неверно потому, что при его экспериментальной проверке мы обнаруживаем частицу только у одной щели. Примерно так.
Последнее ваше предложение абсолютно верно.
vanxant
21.03.2017 21:59Не понял ваш вопрос.
1. Технически чем сфоткать единичный фотон? Да чем угодно, матрицы в хороших телефонах уже давно могут регистрировать единичные фотоны (с вероятностью пару процентов, разумеется). Другое дело, что сигнал от одного фотона тонет в шумах, которые на несколько порядков больше. Ну так это всё решается а) структурой фотоаппарата (выбрасываем по максимуму бликующие стёкла и фильтры (АА, инфракрасный, Байер), б) схемотехникой матрицы (обратная засветка, перенос всей аналоговой части непосредственно к пикселям, т.е. свой усилитель и АЦП физически у каждого пикселя, а не аналоговый строчный АЦП в углу матрицы), и главное в) криозаморозкой всей конструкции для снижения тепловых шумов. В случае жидкого гелия — почти до нуля.
2. Если вы про более общую физику, то все квантовые измерения это про статистику. Повторяем миллион измерений, потом нормируем результаты и получаем распределение вероятности. В чём вопрос-то?
Мне лень гуглить, но есть видео того, как формируются такие и подобные картинки. Пускают по одному фотону, который засвечивает 1-2-3-5 соседних пикселей. Но в отличие от обычной камеры между кадрами заряды фотодатчиков не сбрасываются, а накапливаются. В итоге получаем то самое распределение вероятностей, как на картинке. Выглядит довольно интересно.VIK52
21.03.2017 22:25- Единичный фотон может засветить вам всю матрицу (или несколько пикселей), вы это хотите сказать?
- Вопрос в том, что не единичный фотон "размазан" в пространстве, а непрерывное электромагнитное поле, которое потом дискретно (и точечно) взаимодействует с атомами матрицы. Распределение Эйри в пространстве получается из классических формул, не представляю себе, как его можно получить из квантовой электродинамики.
Больше всего меня коробит ваше представление о размазанном фотоне размером лямбда/диаметрдырки. Чем дальше от дырки, тем больше фотон?
vanxant
22.03.2017 01:021. Пфф, а что помешает фотону провзаимодействовать с несколькими электронами, если у него достаточно на это энергии? Да собственно это сплошь и рядом происходит с УФ и выше.
2. С точки зрения классического Максвелла «фотон» это цепь из бубликов вихревых электрического и магнитного полей, которые по очереди друг друга возбуждают. Причём прямая это лишь наиболее вероятная, но не единственно возможная траектория распространения волны.
С точки зрения квантмеха фотон это волновая функция, описывающая плотность вероятности его обнаружить в той или иной точке пространства. Под «обнаружить» следует читать «фотон может вступить во взаимодействие с другой электрически-заряженной частицей».
Обе теории сходятся в том, что фотон это не некий «шарик» околонулевого радиуса, а облако чего-то (вихревых полей по Максвеллу, плотности вероятности по квантмеху), причём облако, не имеющее чётких границ (но можно взять достоверность 3-5 сигм по вкусу и тогда ограничить размеры облака). Если стукнуть этим облаком по матрице фотоаппарата, то мы получим вот такую вот картинку вероятно засвеченных пикселей. Насколько я знаю, здесь никаких противоречий между классикой и квантмехом нет.
И да, если бы не было дырки, а просто однофотонный источник света типа лампочки Ильича, то облако вероятностей обнаружить фотон вообще было бы сферическим и расползалось от источника света во все стороны равновероятно. Потому что мы не знаем, и никак не можем знать, в какую сторону «на самом деле» полетит фотон. Потому что никакого точечного фотона просто нет. См. двухщелевой опыт
Да что там фотоны, в двухщелевом опыте интерферируют сами с собой единичные атомы золота, которые уж точно не относятся к чисто электромагнитным объектам.VIK52
22.03.2017 19:301.Да ничего не помешает даже прошить насквозь матрицу вместе с фотоаппаратом какому-нибудь межгалактическому гамма-кванту. Но приведенная вами картинка от этого ну никак не получится. Хотя при желании траекторию этого кванта (что-нибудь вроде цепочки ионизированных атомов) можно считать его «изображением».
2.Мое понимание такое. Для Максвелла понятия "фотон" вообще не существует, поле может взаимодействовать с веществом с любой энергией. И никаких "вероятных траекторий" не бывает, решения уравнений распространения однозначны. Про бублики я вообще молчу. Если уж попытаться приплести понятие фотона к максвелловскому полю, то это будет монохроматическая плоская волна, бесконечная в пространстве и времени, поскольку только такое поле имеет вполне определенную частоту и волновой вектор, как и фотон. Но при этом возникают вопросы с энергией.
В нерелятивистской квантовой механике фотон — минимальная порция непрерывного электромагнитного поля, взаимодействующая с веществом, а не "волновая функция", как вы утверждаете.
В квантовой электродинамике фотон вообще не описывается в пространственно-временных координатах, а только в импульсно-энергетических.
В статистической физике удобнее всего рассматривать поле как газ невзаимодействующих бозонов-фотонов.
Все три теории нигде не сходятся! А более-менее правильно описывают эту сущность (электромагнитное поле) только лишь в своей области применения, переходя друг в друга на границах этих областей. А границы определяются энергией, фигурирующей в рассматриваемой задаче. Чем больше энергия, тем меньше волновых свойств и больше корпускулярных у этой сущности.
Фотон — это не только не «шарик», не бублик, но и никоим образом не "облако", пусть даже и ограниченное длиной волны, которым можно стукать по матрице и получать кружок с колечками. Никакого смысла от подобных представлений «пространственно-временной структуры фотона» не существует.
kauri_39
19.03.2017 22:17+1Вот тут тоже об изменении постоянной тонкой структуры: http://modcos.com/articles.php?id=95
Её рост, видимо, следует объяснять снижением скорости света, а последнее — уменьшением энергетической плотности вакуума. Плотность уменьшается вследствие свободного расширения вселенского объёма этой среды. То есть космологическая постоянная не совсем постоянна.
Известно, что в менее энергетически плотном вакууме — у поверхности массивных тел и Земли в частности — снижается частота (энергия) фотонов. Это известно по замедлению хода атомных часов, в гравполе частота фотонов, излучаемых цезием, снижается. Видимо, снижается, пусть и в меньшей мере, скорость фотонов.
Но главное даже не в том, что плотность среды в прошлом была большей (альфа — меньшей). А в том, что она сейчас больше в одном направлении во Вселенной и меньше в другом, если я правильно понял. Из этого следует, что в том направлении, где плотность больше, может находиться центр всей нашей Вселенной, от которого удаляется, расширяясь, наш объём Хаббла.
Остаётся только проверить — действительно ли это так. То есть совпадает ли с этим направлением направление "тёмного потока" — общего движения кластеров в сторону созвездия Лисички. Не известно ли Вам — в каком направлении во Вселенной альфа больше (а скорость света и плотность энергии вакуума — меньше)? Не том же, где находится созвездие Лисички?
tundrawolf_kiba
21.03.2017 13:33Вот только неопределённость в постоянной Планка похоронит современную квантовую механику, а неопределённость в скорости света будет означать, что некоторые фотоны двигаются со сверхсветовыми скоростями…
Я бы в выборе из этих двух вариантов поставил все же на неопределенность c и тахионы.
RedSnowman
Что-то вспомнилась вселенная X и война древних со странниками.