Бунт констант

Скорость света и масса протона тоже умеют портиться

Трава прежде действительно была зеленее. Теперь под этим высказыванием подпишутся не только экологи, но и физики: они утверждают, что в относительно далеком прошлом и скорость света, и другие константы были несколько иными. Слово "несколько" не должно вводить в заблуждение - его достаточно, чтобы заметная часть физических законов из "вечных и незыблемых" превратилась в более или менее точно работающие правила для повседневных расчетов. Какими, например, стала в начале прошлого века ньютоновская механика.

Теория относительности, пришедшая ей на смену, и постулировала (вопреки популярной формулировке - "все относительно") постоянство скорости света. Согласно Эйнштейну, никакое тело или сигнал перемещаться быстрее не может, а сам свет преодолевает за секунду путь в 299792 километра в любой системе отсчета и в любом месте Вселенной. С этим спорили, но главным предметом спора были как раз "традиционные ценности" - постоянство масс, длин и временных интервалов, без чего стройная механистическая картина мира разрушалась. В двадцатом веке астрономические эксперименты подтвердили правоту Эйнштейна. В двадцать первом - поставили под сомнение то, в чем сам "отец новой физики" не успел усомниться.

Первыми про старение констант заговорили астрофизики. В их распоряжении были фотоснимки самых старых объектов во Вселенной - а именно, квазаров, которые находятся на периферии видимого пространства. Это значит, что свет, который фиксируют приборы, возник всего через 1-2 миллиарда лет после Большого Взрыва. В 1998 году обнаружилось, что спектр квазара - после всех поправок на допплеровское смещение - выглядел иначе, чем при "лабораторном" анализе веществ, из которых состоит космический объект. По положению линий в атомных спектрах может быть рассчитана постоянная тонкой структуры ("альфа") - безразмерная величина, связывающая заряд электрона с константой Планка и скоростью света. Согласно результатам Джона Вебба и Виктора Фламбаума, за 12 миллиардов лет "альфа" увеличилась на несколько миллионных долей.

В спор с астрофизиками вступили ядерщики, чей метод не требовал привлечения внеземных тел. В 1972 году ученые нашли в одной из урановых шахт на территории Габона "натуральный ядерный реактор", возраст которого оценивают 2 миллиардами лет. "Альфу" решили определять по концентрации различных изотопов среди продуктов деления: константа влияет на скорость захвата нейтронов ядрами, так что при большей константе самарий-150 встречался бы чаще, чем показал анализ. Ко всеобщему удивлению, перепроверка в 2004 году подтвердила гипотезу Флагбаума и Вебба. Правда, на этот раз цифры были еще скромнее: 45 миллиардных долей за все время жизни реактора.

Речь, разумеется, шла не просто о росте или убыли отдельной величины. Если в боровской модели атома ей приписывали конкретный физический смысл - "орбитальной скорости" электрона на заданной "орбите" в единицах скорости света, то в современной теории элементарных частиц "альфа" служит параметром, определяющим природу электромагнитных явлений как таковых. Если бы "в начале времен" он отличался от нынешней величины на 4 процента, не происходило бы синтеза углерода в недрах звезд, и жизни не из чего было бы возникнуть. (Кстати, этот факт крайне популярен среди сторонников антропного принципа - утверждения о том, что Вселенная не могла бы быть иной, чем необходимо для появления разумных существ). И, конечно, еще больше возражений вызывала интерпретация "дефекта": поскольку изменяться заряду электрона запрещают законы сохранения, пострадать должна либо скорость света, либо константа Планка. По ряду причин последнюю версию отбросили, так что под угрозой оказалась уже эйнштейновская теория.

С другой стороны, отнюдь не все физики восприняли известие как катастрофу. Многие были убеждены, что только теперь можно с уверенностью изучать "первые дни" после Большого Взрыва. Термодинамика не в состоянии объяснить, как между различными частями Вселенной установилось тепловое равновесие - для этого отдаленные участки должны были обмениваться по крайней мере излучением, но лимит на скорость его распространения делал такой обмен невозможным. Если же скорость света раньше была "сверхсветовой", причины равновесия становятся понятны.

Новый удар по "мерам и весам" касался соотношения масс протона и электрона. Известная как "мю", эта константа задает размеры молекул и, кроме того, применяется при описании так называемых "сильных" взаимодействий - разновидности процессов, происходящих внутри ядра. "Сильные" внутриядерные силы действуют на кварки - субчастицы с дробным зарядом, из которых "складываются" привычные протоны и нейтроны. Современное соотношение масс гарантирует существование атомов - в противном случае был бы возможен захват электронов ядром, их слияние с протонами и превращение космоса в нейтронную пустыню. Теоретики выяснили, что для такого развития событий "мю" было бы достаточно увеличить всего на 8 сотых процента. Критическая величина только в сорок раз больше той, которую нашли космологи, наблюдая за молекулярным водородом в квазарах.

В этом, в свою очередь, увидели надежду на подтверждение теории струн - гипотезы (или, точнее, семейства гипотез) расширяющей "эйнштейновское" четырехмерное пространство-время до десятков измерений. Вместо частиц расширенное пространство населяют "струны" или "мембраны", колеблющиеся в дополнительных размерностях. "Колебаниям" с определенной частотой отвечают различные свойства "настоящих" частиц. Лишние измерения обладают сложной геометрией, замкнуты и ограничены (а потому - ненаблюдаемы), в отличие от времени и пространства, открытых и бесконечных в первом приближении. Не в последнюю очередь потому, что математикам такие объекты давно знакомы и интересны, теория бурно развивалась последние несколько десятилетий, хотя и не получила серьезных экспериментальных подтверждений.

Перспективы выглядят заманчиво: "струны" должны объединить два главных достижения "новой физики" - гравитационную и квантовую теории. Приверженцы этих взглядов готовились узнать о первых "практических" результатах после запуска Большого адронного коллайдера - самого мощного из ускорителей элементарных частиц. События на краю космоса, разумеется, не отменяют земных опытов, однако лишают их статуса "последней надежды". Если масса протона действительно меняется со временем, это можно трактовать как расширение Вселенной, но только в дополнительных размерностях - тех самых, которые опасались не найти.

Что, впрочем, не делает менее неуютной мысль, что ничего абсолютного в этой Вселенной нет. www.Lenta.ru

Бунт констант