Время от времени на Хабре вспыхивает обсуждение того, является ли Вселенная компьютерной симуляцией, а в незапамятном 2010 году уважаемый @alizar даже упоминал об эксперименте, призванном это проверить. Если вас интересует подробный разбор гипотезы о голографической Вселенной – вы можете почитать знаменитую книгу Майкла Талбота об этой концепции или краткое изложение голографического принципа. Однако я хотел бы остановиться на поиске явных багов или необъяснимых «жёстко подставленных» значений в структуре реальности, которые могли бы указывать на не вполне спонтанное происхождение Вселенной. Поиск таких значений то и дело стимулирует учёных присматриваться к значениям фундаментальных физических констант, и одна из наиболее известных величин такого рода – это постоянная тонкой структуры, равная почти 1/137. Не так давно уважаемый @SLY_G публиковал на Хабре перевод о ней, и сегодня я хочу вернуться к разбору этой странной величины.
Постоянная тонкой структуры — одна из фундаментальных физических констант. Она является безразмерным коэффициентом, и её значение впервые определил в 1916 году Арнольд Зоммерфельд. В десятичной записи она равна 0,0072992701, а в качестве обыкновенной дроби очень близка к 1/137. Постоянная тонкой структуры характеризует силу электромагнитного взаимодействия — то есть контакта между протонами и электронами. От неё зависит, насколько крепко атомы удерживают вокруг себя электроны. Поскольку число 1/137 очень невелико, электромагнитное взаимодействие также довольно слабое. Если бы это значение было хотя бы на 4% меньше, то, согласно имеющимся расчётам, в ходе звёздного нуклеосинтеза не мог бы образовываться углерод. Следовательно, известная нам белковая жизнь не могла бы сформироваться.
Постоянная тонкой структуры, также именуемая «альфа», вычисляется по этой формуле и складывается из четырёх других фундаментальных констант: скорости света (c), заряда электрона (e), постоянной Планка (ħ) и электрической постоянной (ε0). Соответственно, если в каких-то условиях любая из этих констант изменится, то и постоянная тонкой структуры будет варьироваться. Предпринимались попытки проверить возможность такого изменения как в ходе наблюдения крупномасштабных космических объектов, так и путём постановки опытов, о чём ниже я расскажу подробнее.
Измерять постоянную тонкой структуры на астрономических расстояниях очень удобно, поскольку от неё зависят свойства атомов, связанные с излучением и поглощением фотонов. Спектры поглощения — как раз та величина, которую мы хорошо умеем измерять как в космосе, так и в лабораторных условиях. Как я уже упоминал в некоторых статьях, например здесь, космические измерения важны ещё и потому, что позволяют сравнивать свойства объектов, удалённых от нас не только в пространстве, но и во времени. Соответственно, если когда-то или где-то значение постоянной тонкой структуры было или является иным, то это можно зафиксировать при помощи спектрометра. Кроме того, спектры излучения различных атомов хорошо изучены, и их удобно сравнивать в разных регионах космоса.
Вкратце вспомним важнейшие свойства Вселенной, на которые прямо влияет постоянная тонкой структуры
Возможность возникновения жизни: как я упоминал выше, при уменьшении постоянной тонкой структуры хотя бы до 1/138 коренным образом изменилась бы стабильность атомов и их химические свойства. Вероятно, в таком случае во Вселенной не сформировалось бы достаточного количества углерода, а углерод — это элемент, на котором основана вся органическая химия и известная нам жизнь.
Эволюция космоса: пока нет общего мнения о том, существовала ли измеримая разница между значениями постоянной тонкой структуры сейчас и в эпоху рекомбинации, но можно полагать, что эта константа оставалась неизменной на протяжении последних трёх миллиардов лет. Но значение постоянной тонкой структуры вполне может отличаться от актуального в такой Вселенной (или некоторой её части), где средний уровень энергии выше, чем в окружающем нас мире. Например, в области электрослабого взаимодействия, где в вакууме могут спонтанно образовываться тяжёлые частицы — бозоны W и Z, бозон Хиггса и верхний кварк, значение постоянной тонкой структуры будет ближе к 1/128. Вероятно, в таких условиях измерения показывали бы значительное усиление заряда электрона.
Химические связи: изменения постоянной тонкой структуры влияли бы на образование атомов и молекул. Чем выше значение — тем более стабильны (и инертны) атомы, а при снижении этого значения атомы становятся рыхлыми.
Энергия и фотоны: константа α регулирует энергию, необходимую для преодоления электростатического отталкивания между электронами, а также энергию фотонов. Таким образом, от неё зависят как взаимодействия элементарных частиц, так и свойства электромагнитного излучения.
Скорость электрона и скорость света: в соответствии с постоянной тонкой структуры, скорость электрона на первой орбитали атома в модели Бора (или скорость единственного электрона в атоме водорода) равна 1/137 скорости света. Скорость каждого последующего крайнего электрона в более крупных атомах увеличивается, и именно поэтому, как полагал Ричард Фейнман, химических элементов может быть не более 137.
Константы связи: α выступает в качестве константы связи для электромагнитного взаимодействия.
Измерение и уточнение
Поэтому настолько интересны и одновременно сложны опыты, которые позволили бы определить актуальную α, а также показать, может ли её значение меняться. Наиболее точное значение константы было вычислено в 2020 году и составляет 1/137.035999206(11), причём в последней цифре нет полной уверенности. Неточность этого значения — не выше 81 части на триллион. Это значение было получено группой физиков из парижской лаборатории Кастлера-Бросселя под руководством Сейды Геллати-Хелифы. Опыт был поставлен путём перемешивания атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля и доведённых до состояния конденсата Эйнштейна-Бозе. В таких условиях атомы рубидия бомбардировали фотонами и фиксировали, как происходит поглощение фотонов атомами. На Хабре ранее был перевод статьи об этом опыте от уважаемого @SLY_G. При всей точности такого измерения, оно является косвенным.
Измерить постоянную тонкой структуры напрямую в 2022 году попытались учёные под руководством Андрея Пименова из Венского технологического университета при участии коллег из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Исследование было опубликовано в журнале Applied Physics Letters. Учёные воспользовались топологическим изолятором с формулой (Cr0.12Bi0.26Sb0.62)2Te3, через который пропускали терагерцовое излучение и наблюдали, как меняется поляризация света. Изолятор представляет собой тонкую плёнку. Процесс схематически выглядит так (источник света находится слева)
Фотоны взаимодействуют с электромагнитными полями и, если поместить плёнку в электромагнитное поле, то поляризованный свет как будто вращается. Но опыт Пименова проводился в сильном магнитном поле и при очень низких температурах, благодаря чему изменение поляризации происходило скачкообразно — то есть поляризационные сдвиги удалось квантовать. В основе этого явления лежит квантовый эффект Холла. В данном случае квантовые переходы поляризованного света пропорциональны постоянной тонкой структуры, и согласно этому опыту, даже в сильном магнитном поле её величина очень близка к 1/137. Этот опыт привлекателен потому, что квантовый эффект Холла хорошо изучен и характерен для многих материалов, например для двухслойного графена.
Квантовый спиновый лёд
Интерес к постоянной тонкой структуры и её возможному варьированию подстегнул поиск таких материалов, в которых величина α сильно отличалась бы от 1/137. Условно гипотетическим классом веществ с такими свойствами являются квантовые спиновые льды. Это могут быть кристаллы или жидкости, состоящие из частиц с разнонаправленными спинами. Из-за такой рассогласованности спинов квантовый спиновый лёд приобретает магнитные свойства. Если обычный материал остудить до определённой температуры, то спины его частиц либо выстроятся в одном направлении, либо в противоположных — и во втором случае в материале образуется два магнитных полюса. В квантовом спиновом льду такого не происходит даже при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Как видите, такое рассогласование связано с геометрией материала. Частицы располагаются в углах пирамидальной решётки, и отдельные пирамиды в ней стыкуются вершинами. Возникает мозаика из встречных и разнонаправленных спинов, что должно придавать материалу магнитные свойства. В материале образуются квазичастицы, именуемые спинионами.
Фактически, спинионы — это возмущения в материале, которые распространяются и взаимодействуют в кристалле подобно элементарным частицам.
В настоящее время не получено материалов, которые полностью соответствовали бы по свойствам квантовому спиновому льду, хотя достаточно близки к нему ферромагнитные жидкости из класса пирохлоров с содержанием редкоземельных металлов, в частности, церия, тербия и празеодима. Химические формулы таких веществ — Pr2Hf2O7, Ce2Sn2O7, Tb2Ti2O7 и тому подобные. По данным опытов, проведённых в швейцарском центре изучения мюонов и нейтронов им. Пауля Шерера, при температурах около 0,05 кельвина эти материалы приобретают достаточную эластичность, и в них фиксируются искомые квазичастицы, похожие по свойствам на описанные выше.
Но рассчитать значение постоянной тонкой структуры в «полноценном» квантовом спиновом льду пока можно только теоретически. Именно это попытались сделать в 2021 году учёные под руководством Криса Лауманна из Бостонского университета. Теоретический материал был смоделирован на основе пирохлоров и, искусственно корректируя его свойства, исследователям удалось подобрать конфигурацию, в которой постоянная тонкой структуры составляет 1/10, а не 1/137. Вероятно, если бы такой материал удалось получить и стабилизировать, то были бы получены магниты с совершенно новыми свойствами, ионы в которых приобретают заданную конфигурацию. Возможно, это был бы материал, напоминающий магнит с несколькими (переключаемыми) полюсами. Пока исследования такого рода не выходят за рамки теоретической физики.
Астрономический подход к изучению постоянной тонкой структуры
В заключение этой статьи подробнее расскажу об астрономическом подходе к измерению постоянной тонкой структуры. Согласно исследованию, проведённому в 2020 году под руководством Майкла Вильчински из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии, постоянная тонкой структуры не менялась как минимум на протяжении последних 13 миллиардов лет. Поскольку эта константа характеризует интенсивность поглощения фотонов атомами и выражается в соответствующих изменениях их спектра, её можно измерить, исследовав свет от далёкого источника, проходящий на пути к нам через газопылевые облака с известным химическим составом. При этом источник света у нас будет один, а измерений можно сделать несколько, выбирая облака, расположенные на разном расстоянии от этой «свечи».
В качестве такой «свечи» учёные выбрали квазар J1120+0641, образовавшийся всего через 750 миллионов лет после Большого Взрыва. Для вычисления постоянной тонкой структуры они применили пошаговый эволюционный алгоритм, позволивший постепенно исключить интерференцию от других, более близких источников света. Для сравнения использовались данные из более чем 300 более ранних измерений, затрагивающих источники света, расположенные в диапазоне от 1 до 12 миллиардов световых лет от нас. Никаких измеримых изменений α такой анализ не показал, а значит, во все времена атомы во Вселенной обладали примерно такой же стабильностью и прочностью, как сейчас. Пока остаётся нерешённым вопрос о пространственной вариативности этой константы (есть ли во Вселенной такие изолированные области, где её значение отличается от 1/137). Анизотропия (неравномерность) реликтового излучения позволяет предположить, что в инфляционную эпоху это значение, как минимум, варьировалось. К такому выводу в 2010 году пришли учёные под руководством Джона Уэбба из университета Нового Южного Уэльса, проанализировавшие данные от телескопов VLT в Чили и Keck на Гавайских островах. Они получили примерно такую картину распределения аномалий постоянной тонкой структуры (слева — упрощённая схема, справа — детализированная).
Эти данные не следует считать окончательными, но сейчас значение α в природе следует считать не только постоянным, но и удивительно устойчивым. Интересно будет увидеть, к чему могут привести попытки изменить её искусственно в контролируемых условиях и экзотических материалах.
