Неизотропная Вселенная?

Тем, кто с нетерпением ждет того дня, когда ученые создадут Великую объединяющую теорию физики, возможно, придется подождать немного дольше, поскольку астрофизики продолжают находить намеки на то, что одна из космологических констант все-таки не так постоянна.

В статье, опубликованной в журнале Science Advances, ученые из Сиднея сообщили, что четыре новых измерения света, испускаемого квазаром на расстоянии 13 миллиардов световых лет, подтверждают прошлые исследования, которые обнаружили крошечные вариации Постоянной тонкой структуры.

Профессор UNSW Science Джон Уэбб говорит, что Постоянная тонкой структуры является мерой электромагнетизма — одной из четырех фундаментальных сил в природе (другие — это гравитация, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие).

«Константа тонкой структуры — это величина, которую физики используют в качестве меры силы электромагнитной силы», — говорит профессор Джон Уэбб.

-Это безразмерное число, и оно включает в себя скорость света, то, что называется постоянной Планка и зарядом электрона, и соотношение этих вещей. И это число, которое физики используют для измерения электромагнитной силы.»

Электромагнитная сила заставляет электроны двигаться вокруг ядра в каждом атоме вселенной — без нее вся материя разлетелась бы на части. До недавнего времени считалось, что она является неизменной силой во времени и пространстве. Но за последние два десятилетия ученые заметили аномалии в Постоянной тонкой структуры, когда электромагнитная сила, измеренная в одном конкретном направлении вселенной, кажется немного другой.

«Мы нашли намек на то, что число Постоянной тонкой структуры отличается в некоторых областях Вселенной. Не только как функция времени, но и как направление движения во Вселенной, что действительно довольно странно, если это верно … но именно это мы и обнаружили.»

В поисках улик

Когда профессор Уэбб впервые столкнулся с этими ранними признаками чуть более слабых и сильных измерений электромагнитной силы, он подумал, что это может быть ошибка оборудования, или его расчеты, или какая-то другая ошибка, которая привела к необычным показаниям.

Именно в то время, когда ученые рассматривали некоторые из самых отдаленных квазаров — массивных небесных тел, излучающих исключительно высокую энергию на краю Вселенной, эти аномалии впервые были замечены с помощью самых мощных телескопов в мире.

«Самые отдаленные квазары, о которых мы знаем, находятся примерно в 12-13 миллиардах световых лет от нас», — говорит профессор Уэбб.

— Итак, если вы можете детально изучить свет от далеких квазаров, вы изучаете свойства Вселенной, какой она была в младенчестве, всего лишь миллиард лет от рождения. Тогда Вселенная была совсем другой. Галактик не существовало, ранние звезды сформировались, но, конечно же, не было той популяции звезд, которую мы видим сегодня. И никаких планет там не было.»

Он говорит, что в нынешнем исследовании команда ученых изучила один такой квазар, который позволил им исследовать Вселенную в те времена, когда ей было всего лишь миллиард лет.

Ученые произвели четыре измерения Постоянной тонкой структуры вдоль одной прямой видимости до этого квазара. По отдельности эти четыре измерения не давали никакого убедительного ответа относительно того, были ли заметны изменения в электромагнитной силе или нет.

Однако в сочетании с большим количеством других измерений между нами и далекими квазарами, сделанных другими учеными и не связанных с этим исследованием, различия в Постоянной тонкой структуры стали очевидными.

Странная Вселенная

«И это, кажется, поддерживает идею о том, что во Вселенной может быть направленность, что действительно очень странно», — говорит профессор Джон Уэбб.

— Значит, Вселенная не может быть изотропной по своим законам физики, которые статистически одинаковы во всех направлениях. Но на самом деле во Вселенной может быть какое-то направление или предпочтительное направление, где законы физики меняются, но не в перпендикулярном направлении. Другими словами, Вселенная в некотором смысле имеет дипольную структуру.

«В одном конкретном направлении мы можем оглянуться назад на 12 миллиардов световых лет и измерить электромагнетизм, когда Вселенная была очень молода. Если сложить все эти данные вместе, то кажется, что электромагнетизм постепенно увеличивается по мере того, как мы смотрим дальше, в то время как в противоположном направлении он постепенно уменьшается. В других направлениях космоса постоянная тонкой структуры остается именно такой — постоянной. Эти новые, очень далекие измерения продвинули наши наблюдения дальше, чем когда-либо прежде.»

Другими словами, в том, что считалось произвольно случайным распределением галактик, квазаров, черных дыр, звезд, газовых облаков и планет — с жизнью, процветающей по крайней мере в одной крошечной точке — Вселенная внезапно оказывается эквивалентной северу и югу.

Профессор Уэбб все еще склоняется к мысли, что каким-то образом эти измерения, сделанные на разных этапах с использованием разных технологий и из разных мест на Земле, на самом деле являются массовым совпадением.

«Это то, что воспринимается очень серьезно и воспринимается, совершенно правильно, со скептицизмом, даже мной, несмотря на то, что я сделал первую работу над этим со своими учениками. Но это то, что вы должны проверить, потому что вполне возможно, что мы действительно живем в странной вселенной.»

Но в дополнение к аргументу, который говорит, что эти открытия — больше, чем просто совпадение, другая команда исследователей, работающая совершенно независимо и неизвестная профессору Уэббу, сделала наблюдения о рентгеновских лучах, которые, казалось бы, согласуются с идеей о том, что Вселенная имеет некоторую направленность.

«Я ничего не знал об этой статье, пока она не появилась в литературе», — говорит он.

-И они не проверяют законы физики, они проверяют свойства, рентгеновские свойства галактик и скоплений галактик и космологические расстояния от Земли. Они также обнаружили, что свойства Вселенной в этом смысле не являются изотропными и есть предпочтительное направление. И вот, их направление совпадает с нашим.»

Жизнь, Вселенная и все остальное

Все еще желая увидеть более строгую проверку идей о том, что электромагнетизм может колебаться в определенных областях Вселенной, чтобы придать ей форму направленности, профессор Джон Уэбб говорит, что если эти выводы будут продолжать подтверждаться, они могут помочь объяснить, почему наша Вселенная такая, какая она есть, и почему в ней вообще есть жизнь.

«Долгое время считалось, что законы природы кажутся идеально настроенными, чтобы создать условия для процветания жизни. Сила электромагнитного взаимодействия — одна из таких величин. Если бы она была лишь на несколько процентов отлична от той величины, которую мы измеряем на Земле, химическая эволюция Вселенной была бы совершенно иной, и жизнь, возможно, никогда бы не началась. Возникает мучительный вопрос: применима ли эта ситуация к варианту «Златовласки», когда фундаментальные физические величины, такие как Постоянная тонкой структуры, являются «правильными» для нашего существования, ко всей Вселенной?».

Если во Вселенной существует направленность, и если в некоторых областях космоса электромагнетизм проявляется очень слабо, то наиболее фундаментальные концепции, лежащие в основе большей части современной физики, нуждаются в пересмотре.

«Наша стандартная космологическая модель основана на изотропной Вселенной, которая статистически одинакова во всех направлениях».

«Сама эта стандартная модель построена на теории гравитации Эйнштейна, которая сама явно предполагает постоянство законов природы. Если такие фундаментальные принципы оказываются только хорошими приближениями, то открываются двери для некоторых очень интересных, новых идей в физике.»

Команда профессора Уэбба считает, что сделан первый шаг к гораздо более масштабному исследованию, изучающему многие направления во Вселенной, используя данные, поступающие от новых приборов на крупнейших телескопах мира.

В настоящее время появляются новые технологии, обеспечивающие более высокое качество данных, а новые методы анализа искусственного интеллекта помогут автоматизировать измерения и проводить их более быстро и с большей точностью.

Michael R. Wilczynska et al. Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aay9672