Постоянны ли фундаментальные константы природы?

С помощью различных тестов физики не зафиксировали изменений ни во времени, ни в пространстве ни для одной из фундаментальных констант природы.

Вся современная физика держится на двух основных столпах. Одним из них является общая теория относительности Эйнштейна, которую используют для объяснения силы гравитации. Другая — Стандартная модель, которую используют для описания трех других сил природы: электромагнетизма, сильного ядерного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия.

Используя эти теории, физики могут объяснить огромное количество взаимодействий во Вселенной.

Но эти теории не объясняют себя полностью. В уравнениях фигурируют фундаментальные константы — числа, которые мы должны измерить независимо и подставить вручную.

Только имея эти цифры, можно использовать теории для новых предсказаний. Общая теория относительности зависит только от двух констант: силы гравитации (обычно называемой G) и космологической постоянной (обычно обозначаемой Λ, которая измеряет количество энергии в вакууме пространства-времени).

Стандартная модель требует 19 констант для включения в уравнения. К ним относятся такие параметры, как массы девяти фермионов (например, электрона и верхнего кварка), сила ядерных сил и константы, управляющие взаимодействием бозона Хиггса с другими частицами.

Поскольку Стандартная модель не предсказывает автоматически массы нейтрино, чтобы учесть всю их динамику, нужно добавить еще семь констант.

Это 28 чисел, которые полностью определяют всю физику известной Вселенной.

Многие физики утверждают, что наличие всех этих констант кажется немного искусственным. Работа ученых состоит в том, чтобы объяснить как можно больше различных явлений, используя как можно меньше исходных предположений.

Однако физики считают, что общая теория относительности и Стандартная модель — это еще не конец истории, тем более что эти две теории несовместимы друг с другом. Они подозревают, что существует некая более глубокая, более фундаментальная теория, объединяющая эти две ветви.

Эта более фундаментальная теория может иметь любое количество связанных с ней фундаментальных констант. У нее может быть тот же набор из 28, который есть сегодня. У нее могут быть свои собственные независимые константы, а 28 появляются как динамические выражения какой-то лежащей в основе физики.

В ней может вообще не быть констант, а фундаментальная теория способна объяснить себя полностью, и ничего не нужно будет добавлять вручную.

Несмотря ни на что, если фундаментальные константы на самом деле не постоянны — если они меняются во времени или пространстве — тогда это будет признаком физики, выходящей за рамки того, что известно в настоящее время. И, измерив эти вариации, можно было бы получить некоторые подсказки относительно более фундаментальной теории.

И физики разработали ряд экспериментов для проверки постоянства этих констант.

В одном испытании участвуют сверхточные атомные часы. Работа атомных часов зависит от силы электромагнитного взаимодействия, массы электрона и спина протона. Сравнение часов в разных местах или наблюдение за одними и теми же часами в течение длительного периода времени может выявить изменение какой-либо из этих констант.

Еще одно оригинальное испытание связано с урановым рудником Окло в Габоне. Два миллиарда лет назад это место действовало как естественный ядерный реактор, который проработал несколько миллионов лет. Если бы какая-либо из фундаментальных констант была тогда другой, продукты этого радиоактивного процесса, сохранившиеся до наших дней, были бы другими, чем ожидалось.

Глядя на более крупные масштабы, астрономы изучили свет, излучаемый квазарами, которые представляют собой очень яркие объекты, питаемые черными дырами, находящимися в миллиардах световых лет от нас.

Свету от этих квазаров приходилось преодолевать огромные расстояния, чтобы достичь нас, и он проходил через бесчисленные газовые облака, которые поглощали часть этого света. Если бы фундаментальные константы были разными по всей Вселенной, то это поглощение было бы изменено, и квазары в одном направлении выглядели бы немного иначе, чем квазары в других направлениях.

В самых больших масштабах физики могут использовать сам Большой Взрыв в качестве лаборатории. Они могут использовать знания в области ядерной физики, чтобы предсказать количество водорода и гелия, образовавшихся в первые десять минут после Большого взрыва.

И они могут использовать физику плазмы, чтобы предсказать свойства света, испускаемого, когда наша Вселенная остыла от плазмы до нейтрального газа, когда ей было 380 000 лет. Если бы фундаментальные константы давно были другими, то это проявилось бы как несоответствие между теорией и наблюдением.

В этих и других экспериментах никто никогда не наблюдал каких-либо изменений фундаментальных констант. Нельзя полностью исключить это, но можно установить невероятно строгие ограничения на их возможные изменения. Например, известно, что постоянная тонкой структуры, которая измеряет силу электромагнитного взаимодействия, одинакова во всей Вселенной с точностью до 1 части на миллиард.

Пока физики продолжают искать новую теорию, которая заменит Стандартную модель и общую теорию относительности, похоже, что константы никуда не денутся.