Global Lithuanian Net:    san-taka station:

Nepastovios konstantos

Kai kurie dydžiai niekada nesikeičia. Fizikai juos vadina gamtos konstantomis. Tokios yra: c, šviesos greitis; G, Niutono gravitacijos konstanta; me, elektrono masė. Laikoma, kad jos tos pačios visoje Visatoje. Jos sudaro fizikos teorijų pagrindą, nes apibrėžia mūsų Visatos audinio savybes.

Tačiau mažai kas rūpinosi išsiaiškinti, kodėl jos tokios, o ne kitokios – SI vienetais:
c = 299.792.458; G = 6,673 * 10-11, o me = 9,10938188 * 10-31. Vienintelis paaiškinimas, kad jei jos būtų nors truputį skirtingos, būtų negalimos sudėtingos atomų struktūros, taigi ir žemiška gyvybė.

Tačiau paskutiniu metu konstantų statusas susijaukė. Geriausiu kandidatu vieningai teorijai pradėta laikyti m-teorija (žr. ir Lyginamoji kosmologija), stygų teorijos atmaina, kurioje mūsų visata yra 11 matavimų. Vienas jos ypatybių – kad konstantos nėra fundamentalios – mes regime tik jų trimačius „šešėlius".

Taip pat fizikai ima pripažinti, kad daugelio konstantų įgytos reikšmės tėra laimės dalykas – tokios nusistovėjo per daugybę atsitiktinių įvykių ir elementariųjų dalelių formavimąsi ankstyvuoju Visatos kūrimosi laikotarpiu. Stygų teorija numato milžinišką kiekį galimų „pasaulių" su skirtingais dėsnių rinkiniais: 100500. Galbūt, pasirodys, kad mūsų Visata yra vienintelė, tačiau neturime atmesti ir galimybės, kad ji tėra viena iš daugelio multivisatų (lygiagrečių ar daugybinių visatų).

Kokia liniuote galime pasitikėti?

Dar daugiau, gali būti, kad net mūsų „konstantos" kinta – tiek laike, tiek erdvėje. Jei keičiasi papildomi matavimai, mūsų trimačio pasaulio konstantos irgi keičiasi. Taip pat labai tolimose Visatos srityse konstantų reikšmės taipogi gali būti kiek kitokios. Tokios mintys skatina ieškoti galimo konstantų pokyčio.

Tačiau pirmoji problema ta, kad mūsų laboratoriniai prietaisai patys gali būti jautrūs konstantų pokyčiams. Atomų apimtys gali padidėti, tačiau kartu pailgėja ir „liniuotė", kuria jas matuojame. Tad matuojant konstantas dėmesį reikia sutelkti į dydžius, neturinčius vienetų, pvz., elektrono ir protono masių santykį.

Vienas ypatingo dėmesio santykis derina šviesos greitį (c), elektrono krūvį (e), Planko konstantą (h) ir vadinamąją vakuumo talpą (e0). Tai garsioji alfa konstanta, a = e2/2 e0 hc, vadinama smulkiosios struktūros konstanta, kurią pirmąkart 1916 m. panaudojo Arnold Sommerfeld'as*), kvantinės mechanikos taikymo elektromagnetizmui pionierius. Ji išreiškia reliatyvistinius (c) ir kvantinius (h) elektromagnetinių (e) sąveikų aspektus, atsižvelgiant į įelektrintas daleles tuščioje erdvėje (e0). Išmatuota, kad a = 1 / 137,03599976 (ir iš čia skaičius 137 gavo savo ypatingą (magišką) reikšmę fizikams).

Jei alfa reikšmė būtų kita, visos aplinkinio pasaulio savybės pasikeistų. Jei ji būtų mažesnė, atominės materijos tankis sumažėtų, molekuliariniai ryšiai sutrūkinėtų žemesnėje temperatūroje, o stabilių elementų skaičius periodinėje lentelėje padidėtų. Jei alfa būtų didesnė, maži atomų branduoliai negalėtų egzistuoti, nes protonų atostūmio jėga viršytų stipriąją branduolinę jėgą. Jei reikšmė būtų apie 0,1, negalėtų egzistuoti ir anglis.

Ypač jautrios alfa reikšmei branduolinės reakcijos žvaigždėse. Kad jos vyktų, reikia, kad žvaigždės gravitacija galėtų palaikyti pakankamai aukštą temperatūrą, kad suspaustų branduolius nepaisant jų atostūmio jėgos. Jei alfa reikšmė būtų apie 0,1, branduolinė reakcija būtų neįmanoma (nebent tai kompensuotų kiti parametrai, pvz., elektrono-protono masių santykis). Alfa pasikeitimas tik 4% taip pakeistų energijos lygius anglies atome, kad jie negalėtų susidaryti žvaigždėse.

Bandymai surasti kitimą

Antroji eksperimentinė problema, dar sunkiau sprendžiama, yra ta, kad konstantų kitimo matavimams reikalingi ypatingo tikslumo prietaisai, išliekantys pakankamai ilgai stabilioje būsenoje, kad galėtų užregistruoti pokyčius. Net atominiai laikrodžiai gali aptikti pasikeitimus tik per kelias dienas ar net metus. Jei alfa kinta daugiau nei 4 * 10-15 per 3 m., geriausi laikrodžiai leistų pastebėti tą pokytį. Šiuo metu taip nėra. Lėti pasikeitimai Visatoje gali likti tiesiog nepastebėti.

Laimei, fizikai rado kitus būdus. 8 dešimtm. prancūzų mokslininkai pastebėjo urano rūdos izotopų sudėties keistenybes vienoje iš urano kasyklų Gabone prie Oklo, Vakarų Afrikoje – atrodė, tarsi tai būtų branduolinio reaktoriaus atliekos. Atrodo, kad prieš 2 mlrd. metų šioje vietoje galėjo veikti natūralus reaktorius. 1976 m. Aleksandras Šlechteris iš Peterburgo pastebėjo, kad natūralaus reaktoriaus veikimo galimybė priklauso nuo samariaus branduolio tam tikros būsenos, padedančios sulaikyti neutronus. Jo energija labai jautri alfa reikšmei. Jai esant tik truputį kitokiai, grandininė reakcija būtų neįmanoma. Tačiau ji vyko, kas sudaro prielaidą tam, kad per paskutinius 2 mlrd. metų alfa nepasikeitė labiau, nei per 10-8.

1962 m. James E. Peebles ir Robert Dicke panašų principą panaudojo tirdami meteoritus – skirtingų izotopų skilimas irgi priklauso nuo alfa. Ypač jautrus jai yra renio skilimas į osmį. Anot K. Olive ir M. Pospelov tyrimų, susidarant uolienoms, alfa nuo dabartinės reikšmės skyrėsi 2 * 10-6 dydžiu. Rezultatas ne tos tikslus, kaip Oklo reaktoriaus atveju, tačiau „nueina" toliau į praeitį, maždaug prieš 4, 6 mlrd. metų.

Tarptautinis astrofizikų kolektyvas Jeilio un-te pranešė aptikę kvazarą J0159+0033, kurio rentgeno spinduliavimo aktyvumas per paskutiniuosius kelis metus sumažėjo kelis kartus. Tai jie Kvazaro J0159+0033 spinduliavimo pokytis sieja su energijos, krentančios į jo juodąją skylę, svyravimais. Jis jau beveik nekinta nuo 2010 m., o iki tol nuo 2000-ųjų gerokai susilpnėjo. Spėjama, kad kvazaro juodajai skylei tiesiog trūksta energijos palaikyti spinduliavimą – ir kažkuriam laikui jis tapo „išjungtas“.

Šį reiškinį Stripe 82 (dangaus srities ties pusiauju kelis kartus atliktų SDSS apžiūrų (2000-2008) ir kitų stebėjimų duomenų bazė) duomenyse aptiko Stephanie LaMassa.

Astronomams įdomia savybe taip pat yra kvazaro emisijos linijų susilpnėjimas. Jos yra matomos regimame spektre ir yra „parašai“ dujų, esančių per toli, kad jas „suvartotų“ kvazaras, tačiau pakankamai arti, kad būtų „sužadintos“ jo spinduliavimo. Tai irgi papildomas argumentas tam, kad kvazaras laikosi „dietos“.

Bet kai kurie specialistai pastebi, kad toks elgesys gali sietis su vidine prigimtimi ir nesusijęs su tuo, kad spinduliavimą sugeria koks nors greta esantis dujų-dulkių debesis. Vis tik spėjama, kad tai ne vienetinis atvejis, tad šis kvazarus bus ir toliau stebimas, nes gali atskleisti naujų žinių apie Visatos „rubuilius“.

Straipsnis apie tai bus paskelbtas „Astrophysical J.”, o jį perskaityti galite arxiv.org svetainėje.

Ieškant pokyčių per dar didesnį laiką, reikia akis pakelti į dangų. Klausimas apie konstantų reikšmes kilo netrukus po kvazarų atradimo 1965-ais. Jie buvo apibūdinti kaip labai ryškūs objektai nepaprastai nutolę nuo Žemės. Tad jų šviesa būtinai turi praeiti jaunų galaktikų dujų apvalkalus. O dujos sugeria tam tikro dažnio šviesą palikdamos pėdsaką kvazarų spektre. Dujoms sugeriant šviesą, jų elektronai įgauna aukštesnį energetinį lygį. Tuos lygius apibūdina, kaip stipriai branduolys gali išlaikyti elektronus, o tai priklauso nuo elektromagnetinio lauko stiprumo, kuris savo ruožtu priklauso nuo alfa. Jei šios konstantos reikšmė šviesos absorbavimo metu skirtųsi, tada energijos kiekis, reikalingas elektrono orbitos pakeitimui irgi būtų kitoks – tad skirtųsi ir mus pasiekusios šviesos spektras: vienos bangų linijos sutankėtų, o kitos išretėtų. Ir svarbu, kad tai mažai priklauso nuo duomenų paklaidos.

Tačiau matavimai susidūrė su dviem apribojimais. Pirma, laboratorijose daugelio spektro linijų nesugebėta išmatuoti reikiamu tikslumu. Juokinga, tačiau mokslininkai daugiau žinojo apie kvazarų spektrą, nutolusių per daugelį milijardų šviesmečių nei spektro pavyzdžius Žemėje. Kita problema, kad ankstesni stebėtojai naudojo alkali-dubletų absorbavimo linijas – absorbavimo linijų poras, atsirandančios tose pačiose dujose, pvz., anglies ar silicio. Jie lygino tarpus tarp tų linijų kvazarų spektre su laboratoriniais matavimais. Šis metodas, vienok, neatsižvelgė į vieną reiškinį – alfa pasikeitimas ne tik paslenka spektro linijas žemų energijų atžvilgių, bet ir patį žemų energijų pagrindo būseną. Ir šis veiksnys netgi stipresnis, nei pirmasis. Tad pasiektas tikslumas tebuvo tik 10-4.

1999 m. J. Webb'as ir V. Flambaum'as panaudojo metodą, atsižvelgiantį į abi tas problemas ir pasiekė apie 10 kartų didesnį tikslumą. Dar daugiau, jis leido palyginti skirtingų medžiagų, pvz., geležies ir magnio, spektrus. Tai leido padaryti išvadą, kad alfa nesikeičia jau labai ilgai. Tačiau, ištyrus 128 kvazarų absorbcijos spektrus, nustatyta, kad per laikotarpį, buvusį prieš 6- 12 mlrd., alfa pasikeitė maždaug 6 * 10-6 dydžiu. Galimos paklaidą sukeliančios priežastys (pvz., skirtingų magnio izotopų skirtumai absorbuojant šviesą ar ankstyvos Visatos perteklinis azoto generavimas) nevisiškai tai paneigia. Kilo susidomėjimas, ir naujų kvazarų spektro tyrimai nuo 2003 m. kituose centruose neparodė alfa pasikeitimo. Neaišku, kodėl panašūs tyrimai leido padaryti skirtingas išvadas. J. Bahcall kritikavo patį metodą, tačiau jo visos nustatytos problemos priklauso vienai atsitiktinių paklaidų kategorijai.

Dėsnių performulavimas

Jei visti pasirodytų, kad alfa kinta, pasikeitimai teorijoje būtų dideli. 1982 m. Jacob D. Bekenstein buvo pirmasis, pabandęs apibendrinti elektromagnetizmo dėsnius atsižvelgdamas į konstantų kintamumą. Jo teorija alfa pakeičia vadinamuoju skaliariniu lauku, dinaminiu gamtos elementu. Tačiau ji neapėmė gravitacijos – tai buvo padaryta po 4 m. (žr. [4]). Toji teorija leidžia daryti įdomias prielaidas. Net nežymus jos pokytis turi įtaką Visatos plėtimuisi – mat kosminiais masteliais elektromagnetizmas yra gerokai silpnesnis veiksnys nei gravitacija. Ir jei alfa pokytis nežymiai įtakoja Visatos plėtimąsi, tai Visatos plėtimasis veikia alfa. Tą poveikį sukelia elektrinio ir magnetinio laukų disbalansas. Visatos pradžioje spinduliavimas dominavo prieš įelektrintas daleles ir elektrinį bei magnetinį laukus paikė pusiausvyroje. Vėliau kosmoso pagrindiniu veikėju tapo materija. Elektrinė ir magnetinė energijos tampa netapačios ir alfa ima labai lėtai didėti – kaip logaritmas nuo laiko. Prieš 6 mlrd. m. tamsioji energija pradėjo greitinti plėtimąsi, sudarydama sunkumus visiems fizikiniams poveikiams persiduoti erdvėje. Tad alfa vėl tapo beveik konstanta.

Tokia eiga atitinka stebėjimus – kvazarų spektro linijos pateikia materijos dominavimo periodą, kai alfa didėjo. Laboratoriniai ir Oklo rezultatai atitinka tamsiosios energijos dominavimo laikotarpį, kai alfa buvo pastovi. Tad meteoritų radioaktyvių elementų tyrimai labai įdomūs, nes jie parodo perėjimą tarp tų dviejų periodų.

Alfa tėra pradžia

Bet kuri dėmesio verta teorija nebūtinai patvirtinama stebėjimais - ji gali kelti ir naujus spėjimus. Aprašyta teorija nusako, kad esant smulkiosios struktūros konstantos variacijoms, objektai krenta skirtingai. Galilėjus spėjo, kad kūnai vakuume krenta vienodu greičiu nepriklausomai iš ko jie padaryti. Tai pademonstravo „Apollo 15" astronautas Davis Scott, išmetęs plunksną ir plaktuką, kurie Mėnulio paviršių pasiekė vienu metu. Tačiau alfa kintant, tas principas neišlieka. Pokytis sukuria jėgą visose įelektrintose dalelėse. Kuo daugiau protonų atomas turi branduolyje, tuo stipriau jis jaučia tą jėgą. Jei kvazarų stebėjimo duomenys yra teisingi, tada skirtingų medžiagų greitėjimas skiriasi maždaug 10- 14 - per mažai, kad pastebėtume laboratorijoje, tačiau pakankamai, kad pasimatytų tokiose misijose kaip STEP (Space-based Test of the Equivalence Principle).

Ankstesni alfa tyrinėjimai neatsižvelgė į vieną prielaidą – Visatos granulinę struktūrą. kaip visos galaktikos, mūsų Paukščių takas yra apie milijoną kartų tankesnis nei vidurkis, ir jis nesiplečia kartu su Visata. 2003 m. J. Barrow ir D. Mota paskaičiavo, kad alfa gali elgtis skirtingai galaktikose nei tuščiose Visatos srityse. Kai susikondensuoja ir pusiausvyros būseną pasiekia jauna galaktika, alfa beveik liaujasi kisti jos viduje, tačiau tebekinta jos išorėje. Tad eksperimentai Žemėje, parodantys alfa pastovumą, yra tendencingi. Šį efektą reikia ištirti atidžiau, kad nustatytume, kiek jis gali paveikti silpnojo ekvivalencijos principo eksperimentus. Iki šiol nepastebėta erdvinių alfa variacijų. Remdamasis kosmoso fono mikrobanginio spinduliavimo vienalytiškumu, J. Barrow parodė, kad alfa nekinta labiau nei 10-8 tarp sričių, danguje nutolusių per 10o.

Reikia sulaukti naujų duomenų ir tyrimų, patvirtinančių ar paneigiančių alfa kitimo lygį. Reikia atminti, kad keičiantis alfa, turi kisti ir kitos kosmogoninės konstantos. O jos plačiai naudojamos fizikos lygtyse. Jų „konstantiškumo" nustatymas leistų geriau suprasti ir alternatyvių (lygiagrečių ar daugybinių) visatų egzistavimą. Mūsų visata gali pasirodyti esanti viena iš izoliuotų oazių, kurias skiria beribė negyvenama erdvė, kurioje veikia visai kitokios gamtos jėgos.

Parengė Cpt.Astera's Advisor


*) Arnoldas Somerfeldas (Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld, 1868-951) – vokiečių matematikas ir fizikas, vienas branduolinės ir kvantinės fizikos kūrėjų. Jis apibendrino Boro teoriją elipsinių orbitų atvejui ir paaiškino vandenilio spektrų struktūrą, nustatė keletą spektroskopinių dėsningumų, išvystė pusiauklasikinę metalų teoriją, užsiėmė klasikinės elektrodinamikos, hidrodinamikos, specialiosios reliatyvumo teorijos, matematinės fizikos klausimais. Įkūrė Miuncheno teorinės fizikos mokyklą, parašė keletą šios srities vadovėlių.

Papildoma literatūra:

  1. R. Bousso, J. Polchinski. The String Theory Landscape// Sci. Am., Sept. 2004
  2. J.K. Webb and al. Further Evidence for Cosmological Evolution of the Fine Structure Constant// Physical Review Letters, vol.87, no 9, 2001
  3. G.A. Coan. A Natural Fission Reactor// Sci. Am, July 1976
  4. H.B. Sandvik, J. D. Barrow, J. Magueijo. A Simple Cosmology with a Varying Fine Structure Constant// Physical Review Letters, vol.88, January 2, 2002
  5. J.D. Barrow. The Constants of Nature: From Alpha to Omega, 2002
  6. J. Webb. Are the Laws of Nature Changing with Time?// Physics World, vol.16, April 2003
  7. M. Trgmark. Parallel Universes, May 2003
  8. R. Srianand and al. Limits on the Time Variation of the Electromagnetic Fine-Structure Constant in the Low Energy Limit from Absorbtion Lines in the Spectra of Distabžnt Quasars// Physical Review Letters, vol.92, no 9, March 26, 2004

Papildomai skaitykite:
Kvantinis chaosas
Visatos modeliai
Tamsioji materija
Lyginamoji kosmologija
Vieningo lauko teorija
Šiluminė Visatos mirtis
Kvantinio pasaulio katinai
Nekritinė stygų teorija
Nepaprasti Visatos skaičiai
Visatos pirmapradis karštis
Pasikėsinimas į multivisatas
Kokia yra Visata? Sukasi?
Juodosios skylės ne tokios jau ir juodos
Higso bosonas: labai prasta balerina
Naujos galimybės žvaigždėlaivio pavarai
Nepaprastai suderinta Visatos sandara
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
Gal įmanoma išspręsti Einšteino uždavinį?
Kvantinė mechanika: triumfas ar ribotumas?
Amžinas judėjimas laiko kristaluose
Gyvybė atsirado šaldytuve
Didysis sprogimas ar Didysis atšokimas
Tėkmė: kas atvedė prie LHC?
Neapibrėžtumas, tikimybė ir prognozė
El. dalelės ir fundamentaliosios jėgos
Vaišešika: Judėjimas (karma)
Antigravitacijos paieškų istorija
Stabilios būsenos teorija
Juodųjų skylių portretas
Mitas apie laiko pradžią
Šaltoji branduolių sintezė
Antigravitacijos paieškos
Visatos mechanika
Lygiagrečios visatos
Torsioniniai laukai
Sprogimai Visatoje
Antigravitacija
Greičiau už šviesą!
Triukšmai

NSO apsireiškimai ir neįprasti fenomenai Lietuvos danguje ir po juo

Maloniai pasitiksime žinias apie bet kokius Jūsų pastebėtus sunkiai paaiškinamus reiškinius. Juos prašome siųsti el.paštu: san-taka@lithuanian.net arba pateikti šiame puslapyje.

san-taka station

UFO sightings and other phenomenas in/under Lithuanian sky. Please inform us about everything you noticed and find unexplainable in the night sky or even during your night dreams, or in the other fields of life.

Review of our site in English

NSO.LT skiltis
Vartiklis