Отговорът не е 42, а 1/137

Едно тайнствено число определя как работи физиката, химията и биологията

НаукаOFFNews Последна промяна на 10 ноември 2019 в 10:20 50437 0

Кредит Pexels

Това е добре пазена тайна, но ние знаем отговора за живота, Вселената и всичко останало.

Не е 42 - той е 1/137.

Това неизменно число определя как горят звездите, как се случва химията и дори дали въобще съществуват атоми. Физикът Ричард Файнман, който знаеше някои неща за него, го нарече „една от най-големите мистерии на физиката: магическо число, което идва при нас, без да знаем защо“, разказва NewScientist.

Сега тази мистерия се задълбочава. Вече има, макар и противоречиви, намеци, че това число може и да не е универсалната константа, а да се променя с течение на времето и пространството. Ако бъде потвърдено, това би имало дълбоки последици за нашето разбиране за физиката, принуждавайки ни да преразгледаме основни предположения за структурата на реалността. Докато за аргументите за истинската значимост на констатациите още се разгорещено се спори, експериментите, гледащи дълбоко в космоса и на фината структура на реалността в лабораториите, сега може би са готови да дадат окончателна присъда.

Идеята, че природните константи - неща като скоростта на светлината, силата на взаимодействията и масите на различните частици - може да не са толкова постоянни, има знакова история. През 1937 г. физикът Пол Дирак пише на списание Nature, подлагайки на съмнение опитите на астронома Артур Едингтън да изчисли константи от самото начало на Вселената, зададе въпроса: Как можем да сме сигурни, че не са се променили в космологично време?

Константата на фината структура, известна също като алфа, е пример за това. Алфа се намира в центъра на една теория, която Дирак започва и Файнман доработи: квантова електродинамика или QED (quantum electrodynamics). Това е квантовата теория на електромагнитната сила и описва взаимодействията между светлината и материята. Алфа определя тяхната сила. Самата тя е конструирана от скоростта на светлината, заряда на електрона, pi - малко физически теории се справят без пи - и няколко други основни константи, внимателно подредени така, че тя е просто чисто число, независимо от човешкото влияние: 0.00729735, или приблизително 1/137.

Шепа константи

Ако промените това число, ще промените Вселената. Увеличете го и протоните ще се отблъскват толкова силно, че малките атомни ядра ще се разпаднат. Отидете малко по-далеч и фабриките за ядрен синтез в звездите ще се спрат и вече няма да могат да произвеждат въглерод, елементът, върху който се основава животът. Ако алфа е по-малка, молекулярните връзки ще се разпадат при по-ниски температури, като променят много процеси от съществено значение за живота.

Голямата грешка на физиците е начинът, по който нашите теории за природата изискват от нас да вкараме набор от произволни числа, които да отразяват реалността. Изглежда няма причина за съществуването на тези числа: те са просто там и ние трябва да ги измерим в експерименти.

• Стандартният модел на физиката на частиците изисква най-малко 19 такива числа, включително константата на фината структура, известна също като алфа, масата на бозона на Хигс и набор от  други характеристики - масата и силата на взаимодействие на частиците.

• За да се възпроизведе физиката като цяло, трябва да се добави гравитационната константа (известна още като „голяма G“) скоростта на светлината и константата на Планк, която дава основния размер на квантовите частици.

• Стандартният космологичен модел изисква още 12 параметъра, включително константата на Хъбъл, която описва скоростта на разширяване на Вселената и фактори, свързани с тъмната материя и плътността на тъмната енергия.

Поне на Земята алфа се държи в строги граници. Лабораторните експерименти показват, че може да варира най-много от порядъка на 0.000 000 000 1 (едно на 10 милиарда). Това я прави 100 000 пъти по-прецизно фиксирана от "голямата G", константата, която определя силата на гравитацията.

Но, както намекваше Дирак, може би електромагнитните взаимодействия са били по-слаби или по-силни в миналото, или са различни в далечните части на Вселената. Това може да е важно във време, когато физиците изглежда са достигнали до задънена улица в усилията си да разкрият по-дълбоките истини за реалността.

„Имаме основен набор от уравнения, които са на половин век и никога не са се разминавали с измерванията“, коментира Карло Ровели (Carlo Rovelli) от Университета в Екс-Марсилия във Франция.

"Ако намерим измерване, което се различава, би било голямо събитие: накрая нещо наистина ново."

„Ако има вариации, те ще разкрият нова физика“, обяснява Паоло Моларо (Paolo Molaro), който изследва вариациите в константите в Астрономическата обсерватория в Триест.

Това може да включва например наличието на допълнителни измерения. Струнната теория, една добре подкрепена заявка за теорията на физиката от следващо поколение, предлага съществуването на малки, нагънати измерения, които не можем да видим. Това ще има ефект върху неща като константата алфа.

"Стойността на величините, които наричаме константи, е донякъде снижена, ако предположим, че има допълнителни измерения", отбелязва космологът Джон Бароу (John Barrow) от Университета в Кеймбридж. "Ако има наистина девет или десет измерения на пространството и само с три големи, тогава истинските неизменни константи обитават в общия брой на измеренията и триизмерните сенки, които наблюдаваме, не са истинските константи."

За физика Джон Уеб (John Webb), възможността за различна алфа става почти мания преди две десетилетия. През 1996 г. като млад изследовател от Австралия посещава Бароу, тогава в Университета в Съсекс, Великобритания. Двамата увлечено обсъждат размишленията на Дирак за непостоянните константи. Уеб се пита дали светлината, събрана от някои от най-мощните ни телескопи, може да реши въпроса.

Важна опорна точка

Част от тази светлина пътува много и много дълго време. Телескопите „Кек” (Keck) на върха на Мауна Кеа, най-високата точка на Хавай, могат да уловят светлината на изключително ярките обекти на галактиката - квазарите, излъчена преди около 12 милиарда години. По време на пътуването си към Земята част от тази светлина  преминава през облаци газ, които поглъщат определени дължини на вълните. Това дава ключова опорна точка за определянето на алфа.

"Ако промените алфа, променяте степента на привличане между електрона и ядрото", отбелязва Уеб. Това променя дължините на вълните, погълнати от даден атом - което означава, че спектърът на абсорбция създава един вид баркод, уникален за стойността на алфа за времето, когато е бил създаден спектърът.

Уеб разработи с колеги от Университета в Нов Южен Уелс нов метод за анализ на тези комплексни спектри на абсорбция и го приложи към данните на квазар. До 1998 г. той и неговите сътрудници, включително и Бароу, получават първите си резултати: преди 12 и 6 милиарда години алфа е била по-висока средно с шест части на един милион. Това не е достатъчно, за да повлияе на физиката по онова време. Но това е промяна.

Това бе сензационен резултат и много малко хора повярваха - може би за това си има добро основание.

„Търсенето на доказателства за различна алфа е технически много трудно“, разказва Бароу. Имаше само 23 спектъра в анализа и всички идват от телескопа Кек, което повишава вероятността за наличието на систематична грешка в апарата, която да изкривява данните.

Това бе началото на една продължителна игра на котка и мишка. Уеб и променящата се група от сътрудници публикуват нов анализ, показващ вариация, използвайки нови или различни данни, а друга група опровергава резултата. Всеки път екипът на Уеб опровергава тези опровержения, докато работи за намиране на източници на системна грешка. В същото време получават достъп до данни от друг телескоп - Very Large Telescope, VLT („Много голям телескоп“) - високо в чилийските Анди.

Последното им твърдение за алфа е, че тя се променя постепенно и приблизително линейно с разстоянието от Земята.

"Ако пътуваме на разстояние, съответстващо на разстоянието, което светлината е изминала от големия взрив, ние се намираме в част от Вселената, където физиката просто започва да бъде забележимо различна", заявява Уеб.

Вселената обаче се разширява от времето на Големия взрив, така че космосът се простира още по-далеч. Линейната прогресия предполага, че в тези невидими региони алфата може да варира достатъчно, така че самата Вселена да започне да изглежда много различно.

"Може да е толкова различна, че животът, какъвто го познаваме, да не може да съществува", отбелязва Уеб.

Острото око на „Много големия телескоп” в Чили може да е видяло преместване на константите. Кредит: ESO / Y. Beletsky

Той признава, че това все още е много спекулативно. Границите на грешките в данните са големи, а вариацията може да изчезне с по-добри измервания.

Майкъл Мърфи (Michael Murphy) от Университета Суинбърн в Австралия работи по алфа в продължение на години, а Уеб е негов докторант. Освен Уеб, никой друг не знае по-добре хардуера, данните или аналитичните техники. През 2014 г. Мърфи съобщава, че най-накрая е открил грешката, която отменя твърденията за променливата алфа.

Той и колегата му Джонатан Уитмор (Jonathan Whitmore) разбират, че светлината от лампата, използвана за калибриране на техния инструмент за анализ, не е преминала през същите усуквания и изкривявания като космическата светлина. Когато калибрират отново инструмента със светлина от близки астрономически тела като Слънцето, подобни на Слънцето звезди или светлоотразяващите астероиди, резултатите се променят.

През 2017 г. Винсънт Дюмон от Калифорнийския университет в Бъркли, заедно с Уеб опроверга това. Анализът на данните е погрешен, твърдят двамата и се прилага само към подгрупа от резултатите, получени от VLT, а не с оригиналните резултати от Keck. Мърфи признава това, но твърди, че неговата увереност в тези резултати е “подкопана”.

 „Все още не разбираме основните константи: тази мотивация не се е променила”, коментира Мърфи. „Трябва да се опитваме да измерим тези неща по най-добрия възможен начин и където можем. Просто трябва да правим нещата по различен начин - и по-добре - в бъдеще.”

Промяна на фона

Колкото и да е противоречива, пионерната работа на Джон Уеб за вариациите на константата алфа внася в мейнстрийма идеята, че универсалните закони на природата може да не са постоянни, а да варират в пространството и времето.

През юни тази година Чарлз Кларк (Charles Clark) от Американския национален институт за стандарти и технологии и неговите колеги изложиха схема на лабораторни експерименти, които биха могли да намерят промени в константите на физиката. Единият е просто синхронизиране на два атомни часовника и да се наблюдава дали тази синхронизация се променя с течение на времето.

Експериментите биха могли да осигурят златен стандарт, спрямо който може да се сравняват всякакви бъдещи претенции за вариации, и да дадат подсказки, които да помогнат на физиците да излязат извън рамките на Стандартния модел на физиката на частиците, нашето най-последователно описание на начина, по който работи Вселената.

“Ние знаем, че Стандартният модел трябва да се провали някъде”, заяви Кларк. „Вариациите биха били в противоречие с преобладаващите теории за физиката”.

По-рано тази година експериментите предоставиха най-точното измерване на алфа на Земята. Холгер Мюлер (Holger Müller) и колегите му от Калифорнийския университет в Бъркли наблюдават взаимодействията между фотони и атомите на цезий, за да определят стойността на алфа с по-голяма точност от порядъка на една милиардна.

Това е близо до изключването на някои предложения за физиката отвъд Стандартния модел. И има още какво да се случи.

„Изграждаме нов експеримент и вярваме, че ще можем да постигнем този порядък през следващите няколко години“, коментира Мюлер.

Но Уеб смята, че наземните експерименти не търсят където трябва. Промените в алфа вероятно се откриват само в космологични времеви скали, вярва Уеб.

„Може би например промените са били бързи в ранната Вселена, но днес няма голяма или изобщо някаква промяна“, отбелязва Уеб. "Ако е така, наземните експерименти никога няма да открият промяна, без значение колко са точни".

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !