Меняется ли постоянная тонкой структуры с возрастом Вселенной?

Многие астрофизики неоднократно отмечали, что наблюдая Вселенную на сверхбольших (космологических) расстояниях мы можем не только судить о ее физическом состоянии в далеком прошлом, но и попытаться выявить изменение фундаментальных констант, если таковое имело место. Действительно, наблюдая, например, далекие квазары, мы видим свет, испущенный более десяти миллиардов лет назад, когда вселенная была гораздо моложе и физические законы в ней могли отличаться от современных. Одна из наиболее реальных возможностей - проверить, не изменилась ли с возрастом Вселенной постоянная тонкой структуры.

Постоянная тонкой структуры определяется как = e2/hc ~ 1/137, где e - заряд электрона, h - постоянная Планка и с - скорость света. Она является фундаментальным числом, определяющим силу электромагнитных взаимодействий. Как следует из названия, постоянная тонкой структуры описывает расщепление атомных уровней на несколько близких подуровней (мультиплеты) за счет эффектов специальной теории относительности. Величина этого расщепления пропорциональна квадрату .

Свет далеких квазаров по дороге пересекает облака газа, где частично поглощается, при этом мы видим атомные уровни резонансного поглощения вещества облаков - они выедают линии в непрерывном спектре квазаров. Система линий каждого облака из-за расширения Вселенной имеет свое красное смещение, z, меньшее чем z квазара, наблюдаемого сквозь облако, но все-же соответствующее космологическим расстояниям и временам, т.е. ранней Вселенной. Измеряя сразу несколько линий поглощения одного облака, можно определить и значение постоянной тонкой структуры в те времена.

Такие исследования проводились разными группами, в частности, одно из наиболее детальных исследований было проведено в Астрофизическом секторе Физико-технического института им. Иоффе. Иванчук, Потехин и Варшалович в работе, опубликованной в 1999 году приводят верхнее значение на изменение постоянной тонкой структуры: d()/ < 2.3 10-4 на 95% процентном уровне достоверности. Никаких изменений постоянной тонкой структуры до последнего времени найдено не было.

Недавно появилась серия статей австрало-англо-американской группы авторов (двое из которых в прошлом работали в Новосибирске): J.K Webb, M.T. Murphy, V. V. Flambaum, V. A. Dzuba, J. D. Barrow, C. W. Churchill, J. X. Prochaska, and A. M. Wolfe, последняя статья имеется в astro-ph/0012539, где утверждается, что постоянная тонкой структуры в прошлом была немного меньше: d()/ = -0.72+-0.18 10 -5 красных смещений в диапазоне 0.5 < z < 3.5. Измерялись линии поглощения различных многократно ионизованных элементов, таких как магний, железо, никель, хром, цинк, алюминий и кремний. Авторы заявляют, что их метод (который включает измерение частот линий поглощения разных элементов в большом количестве облаков, лабораторные измерения уровней и аккуратные вычисления зависимости положения линий от ) дает примерно 10-кратное превосходство в точности по сравнению с ранее использовавшимися методами.

 

На рисунке приведена зависимость величины изменения от z, т.е. от времени. По вертикали - относительное изменение постоянной тонкой структуры, по верхней горизонтальной оси - красное смещение, по нижней горизонтальной оси - соответствующий возраст вселенной в отношении к ее современному возрасту (около 14 миллиардов лет). Как видно из рисунка, зависимость носит немонотонный характер. Черные кружки - измерения авторов, (каждый кружок соответствует сразу нескольким измерениям на близких красных смещениях, что уменьшает статистические ошибки, показанные вертикальными линиями). Открытые значки показывают результаты, полученные другими методами.

Конечно, преждевременно говорить о состоявшемся открытии изменения со временем одной из фундаментальнейших физических постоянных. Эти результаты должны быть тщательно проверены другими исследовательскми группами.

Павел Иванов