Физики уточнили величину «волшебного числа», управляющего Вселенной

Автор оригинала: Natalie Wolchover
  • Перевод

Парижская команда исследователей провела наиболее точное на сегодня измерение постоянной тонкой структуры, отобрав у нас надежду на существование в природе неизвестного взаимодействия



Постоянную тонкой структуры ввели в 1916 году для количественной оценки промежутков между двумя линиями в спектре цветов, испускаемых определёнными атомами. На фото плотно расположенные частоты видны через резонатор Фабри — Перо

Среди фундаментальных констант наибольшей известностью пользуется скорость света с. Однако её числовое значение ничего не говорит нам о природе – оно зависит от единиц измерения, будь то метры в секунду или мили в час. А у постоянной тонкой структуры, наоборот, размерности нет. Это чистое число, потрясающе сильно влияющее на Вселенную. Ричард Фейнман писал, что это «волшебное число, найденное нами без какого-либо понимания». Поль Дирак считал происхождение этого числа «наиболее фундаментальной из нерешённых задач физики».

По величине постоянная тонкой структуры, обозначаемая греческой буквой α, очень близка к дроби 1/137. Она часто встречается в уравнениях, описывающих поведение света и материи. «В архитектуре, например, часто встречается золотое сечение», — сказал Эрик Корнелл, физик из Колорадского университета и Национального института стандартов и технологий, нобелевский лауреат. «А в физике материи низких энергий – атомов, молекул, химии, биологии – постоянно встречается соотношение размеров большего к меньшему. И эти соотношения часто оказываются степенями постоянной тонкой структуры».

Постоянная повсеместна, поскольку она описывает силу электромагнитного взаимодействия, действующего на заряженные частицы – электроны и протоны. «В повседневном мире мы сталкиваемся либо с гравитацией, либо с электромагнетизмом. Поэтому альфа так важна», — сказал Холгер Мюллер, физик из Калифорнийского университета в Беркли. 1/137 – это немного, и влияние электромагнетизма слабое. В результате заряженные частицы формируют преимущественно пустые атомы, в которых электроны движутся по удалённым орбитам и легко с них срываются. Это приводит к формированию химических связей. С другой стороны, постоянная достаточно велика – если бы она была ближе к 1/138, в звёздах не создавался бы углерод, и знакомая нам жизнь не смогла бы появиться.

Физики почти сто лет были одержимы желанием выяснить, почему значение альфы оказалось именно таким. Но сегодня они практически охладели к этому вопросу, и признают, что значение фундаментальных постоянных может быть случайным, определяясь броском космических игральных костей при рождении Вселенной. Теперь у них появилась новая цель.

Физики хотят как можно более точно измерить значение постоянной тонкой структуры. Поскольку она встречается везде, её точное значение позволяет им проверить свою теорию взаимосвязи элементарных частиц. А именно, великолепный набор уравнений, известный под названием Стандартной модели физики частиц. Любые расхождения в точно измеренных значениях, связанных друг с другом, могли бы указывать на существование новых частиц или неучтённых стандартными уравнениями эффектов. Корнелл называет такие точные измерения третьим способом экспериментального раскрытия фундаментальных принципов работы Вселенной – после ускорителей частиц и телескопов.

В декабре 2020 команда из четырёх физиков под руководством Саиды Гелати-Халифы из парижской лаборатории Кастлер-Броссел опубликовала в журнале Nature новую работу с самым точным на сегодняшний день измерением величины постоянной тонкой структуры. Команда получила значение постоянной вплоть до 11 знака: α = 1/137,035999206.

С погрешностью всего в 81 триллионную новое значение стало в три раза более точным, чем предыдущее, проведённое в 2018 году главным конкурентом команды — группой Мюллера в Беркли. До Мюллера Гелати-Халифа получала самое точное на тот момент значение в 2011. О новом значении, полученном их соперниками, Мюллер сказал: «В три раза – это серьёзно. Можно без особого стеснения назвать это отличным достижением».


Саида Гелати-Халифа в своей парижской лаборатории

Гелати-Халифа улучшает свой эксперимент уже 22 года. Она измеряет постоянную тонкой структуры путём измерения величины отклонения атомов рубидия при поглощении ими фотона. Мюллер делает то же самое с атомами цезия. Скорость отклонения характеризует массу атомов рубидия – в простой формуле постоянной тонкой структуры это самый сложный для измерения член. «Узким местом всегда служит наименее точно измеренная величина, поэтому любое улучшение в этой области ведёт к уточнению постоянной тонкой структуры», — пояснил Мюллер.

Начали парижские экспериментаторы с того, что охладили атомы рубидия почти до абсолютного нуля, а потом бросили их в вакуумную камеру. Пока облако атомов опускалось, исследователи при помощи лазерных импульсов приводили их в квантовую суперпозицию из двух состояний – столкнувшихся с фотоном, и не столкнувшихся. Две вероятные версии каждого атома перемещались по отдельным траекториям, пока новые импульсы лазера не свели обратно половинки суперпозиции. Чем больше атом отклонялся при столкновении с фотоном, тем сильнее он отличался по фазе от другой своей версии, с фотоном не столкнувшейся. Исследователи измеряли эту разницу, высчитывая скорость отклонения. «Из скорости отклонения мы получаем массу атома, а масса атома напрямую определяет постоянную тонкой структуры », — сказала Гелати-Халифа.

В таких точных экспериментах имеет значение каждая мелочь. В первой таблице новой работы приведён «бюджет ошибок» – 16 источников возможных погрешностей и неточностей, влияющих на итоговый результат. Сюда входят гравитация и сила Кориолиса из-за вращения Земли – оба эти значения были тщательно подсчитаны и учтены при измерениях. Наибольший вклад в бюджет ошибок вносят недостатки лазера, который учёные постоянно улучшают уже много лет.

Тяжелее всего Гелати-Халифе понять, в какой момент нужно остановиться и опубликовать результаты. Они с командой остановились 17 февраля 2020 года – когда коронавирус набирал обороты во Франции. На вопрос, похоже ли принятие решения учёным о том, когда нужно публиковать работу, на мысли художника о том, когда считать картину законченной, Гелати-Халифа ответила: «Именно, именно, именно».

Неожиданностью стало то, что результат её измерений отличается от результата Мюллера от 2018 года в десятой позиции после запятой – это отличие больше, чем погрешность обоих измерений. Это значит, что, за исключением фундаментальных различий рубидия и цезия, в одном или обоих измерениях может содержаться неучтённая ошибка. Измерение парижской группы более точное, поэтому пока что у него есть преимущество, однако обе команды улучшат свои экспериментальные установки и попробуют снова.

Хотя два этих измерения и отличаются, они близки к значению альфы, полученному из точных измерений g-фактора электрона – постоянной, связанной с его магнитным моментом, по сути, крутящим моментом, который он испытывает в магнитном поле. «Постоянную тонкой структуры можно связать с g-фактором посредством огромного набора формул, — сказал Корнелл. — И если бы в уравнениях Стандартной модели не хватало бы каких-нибудь физических эффектов, мы бы получали неправильные ответы».

Но на самом деле все измерения прекрасно совпадают, что по большей части отметает некоторые предположения о существовании новых частиц. Совпадение наилучших измерений g-фактора и измерения, проведённого Мюллером в 2018 году, приветствовали как величайший триумф Стандартной модели. Новый результат Гелати-Халифы ещё лучше соответствует ожидаемому. «Это самое лучшее совпадение теории с экспериментом», — сказала она.

И всё же они с Мюллером настроены на дальнейшие улучшения экспериментов. Команда из Беркли переключилась на новый лазер с более широким лучом (благодаря которому получится равномернее обстреливать облако атомов цезия). Парижская команда планирует заменить вакуумную камеру, и провести иные усовершенствования.

Каким человеком надо быть, чтобы тратить так много сил на такой скромный результат? Гелати-Халифа назвала три свойства: «Нужно быть скрупулёзным, пылким и честным с самим собой». Мюллер сказал: «Думаю, что всё это очень интересно. Лично я обожаю строить новенькие блестящие механизмы. И применять их к каким-то важным вещам». Он отметил, что никто не может в одиночку построить коллайдер высоких энергий типа европейского Большого адронного коллайдера. Однако при сборке сверхточного инструмента «можно проводить измерения, важные для фундаментальной физики, работая всего втроём-вчетвером».

Комментарии 34

    +13
    42?
      +35
      Ну примерно. Для alfa = 1.0/137.035999206, p_e=1836.152673989 (отношение масс протон /электрон) alfa*p_e*Pi = 42.094368. Когда вселенная состарится — будет точно 42.

      Напомнило руководство по Фортрану. «Число Пи — можно определить как константу. Если его значение изменится, то исправление понадобится только в одном месте»…
        +9
        В расчетах орбит GPS и ГЛОНАСС, ради повторяемости результатов, используется заданное в ИКД число пи. И оно… разное для GPS и ГЛОНАСС. В ГЛОНАСС — 3.14159265358979, в GPS 3.1415926535898.

        Так что все правильно. Если у вас какой-то угловой параметр, ради помещения в диапазон 0-1, поделен на пи — при распаковке надо его умножать ровно на такое же пи.
          +3
          For JPL's highest accuracy calculations, which are for interplanetary navigation, we use 3.141592653589793.
          нет, чтобы сразу закладывать достаточно места под значения переменных и их точность, надо с упорством сначала экономить на спичках, чтобы потом постоянно героически преодолевать возникающие от этого сложности.
            +2
            Какую же точность вы считаете достаточной? Бортовые эфемериды GPS дают точность порядка метра СКО. И не факт, что дело в недостаточности разрядов, а не в том, что закладка идет один раз в виток (примерно раз в 12 часов), а тонкости движения спутника — слабо предсказуемы.
              0

              Bert Hubert уже давно жалуется, что точность Galileo страдает не из-за спутников, а из-за бардака на земле, который сказывается на частоте и точности загрузки эфемерид (то, что вы видно называете закладкой).

                0
                Он что, хочет, чтобы бесплатный сервис работал с качеством коммерческого? Наивный чукотский нидерландский юноша… Пока у GALILEO работает коммерческий сервис — этого не будет.
              0

              В той статье, из которой цитата, потом даётся уточнение, что этого достаточно для определения положения Voyager 1 с точностью до 4 сантиметров. А он между прочим находится в 133 астрономических единицах от нас.

              +1
              А что такое ИКД? Тот, в ком не забанили, предлагает версии Имплантируемый кардиовертер-дефибриллятор и Измеряемый коэффициент диффузии
          0
          Оно самое.
          –2
          > это отличие больше, чем погрешность обоих измерений

          То есть никакого открытия нет? Мы намерили 1003 миллиметра с погрешностью полметра?
            0
            вообще обычно указывают интервал значений и указывают с какой вероятностью точное значение в него должно попадать. скажем, на пальцах 90-95%. просто иногда бывает что эти интервалы даже не перекрываются у разных ученых. просто ошиблись в оценке самой ошибки
            +3

            То есть измерения опять доказали завершенность стандартной модели?


            И в то же время мы знаем, что она не завершена — та же темная материя явно не входит в оную.


            Нехорошо получается.

              +4
              По крайней мере, удалось уточнить область применимости Стандартной модели — в сторону расширения. Это даёт информацию о том, где не надо искать открытий.
                +2

                Стандартная модель и не призвана описать все. Она описывает электромагнитное взаимодействие, слабое взаиможействие и сильное взаимодействие. Гравитация, например, в Стандартную модель не включена. Гравитационное взаимодействие описывается ОТО. Темная материя существует пока только в теории, природа ее неизвестна и соответственно включить темную материю в какую либо существующую модель просто невозможно.

                +33
                Так много написано, но совершенно непонятно о чём речь.

                > Постоянную тонкой структуры ввели в 1916 году для количественной оценки промежутков между двумя линиями в спектре цветов, испускаемых определёнными атомами. На фото плотно расположенные частоты видны через резонатор Фабри — Перо

                Зачем ввели? Каких промежутков? Каких линий? Каких цветов? Что за резонатор? О чём вообще эта статья?
                  +16
                  Это же SLY_G, у него все статьи такие
                    +2
                    Это перевод. Так что вопросы — к автору оригинала.
                      +6
                      Согласен, переводим все подряд как получится, а там пусть с авторами разбираются
                    +6
                    Неожиданностью стало то, что результат её измерений отличается от результата Мюллера от 2018 года в десятой позиции после запятой – это отличие больше, чем погрешность обоих измерений.

                    Но на самом деле все измерения прекрасно совпадают

                    Так совпадают измерения или различаются?
                      0
                      Интересно, когда они наконец придумают способ уточнить гравитационную постоянную? Пока что самая трудноуточняемая из констант.
                        +1
                        Они намеряли α = 1/137.035999206(11) а Мюллер α = 1/137.035999046(27)
                        Разница в 7 знаке после запятой при заявленной точности 10-11 знаков
                          0
                          «Заявлена» точность до 11-го знака, а не до 11-го после запятой.
                          Команда получила значение постоянной вплоть до 11 знака: α = 1/137,035999206.

                          И вообще, важно, не где запятая, а сколько значащих цифр.
                            0
                            Мюллер: we recorded the most accurate measurement of the fine-structure constant to date: α = 1/137.035999046(27) at 2.0 × 10-10 accuracy.
                            Гелати-Халифа:determine the fine-structure constant α−1 = 137.035999206(11) with a relative accuracy of 81 parts per trillion.

                            Считайте сами
                            Не сходятся у них результаты
                              0
                              1./137.03599904627 — 1./137.03599920611 = 8.511695688551146e-12
                              ~ 1.e-11
                            0
                            А не важно, что там один деленное на..?
                            0
                            Парижская команда исследователей провела наиболее точное на сегодня измерение постоянной тонкой структуры, отобрав у нас надежду на существование в природе неизвестного взаимодействия

                            С моей непрофессиональной точки зрения, лучше было бы говорить не о «неизвестном», а о «непредсказанном» взаимодействии, т.к., как я понимаю, новые взаимодействия сегодня ищутся на основании математических моделей. «Реально неизвестные» взаимодействия, которые в эти модели не укладываются, естественно, не будут обнаружены, пока на них не наткнутся эмпирически-экспериментальным путем.

                            Лично я считаю, что одним из таких «неизвестных» взаимодействий является феномен «толкающего луча», открытый Евгением Подклетновым (вот ссылки на arxiv и публикацию в Journal of Low Temperature Physics). Я давно отслеживаю информацию по этой теме, и вижу, что она никак не освещается в открытой литературе. Скорее всего, это связано с очевидным военным применением данного феномена.

                            Но, имея в виду именно аспект «неизвестных физических взаимодействий», можно предположить, что Подклетнов случайно обнаружил какое-то новое фундаментальное взаимодействие или эффект, существенно меняющий физическую картину мира. Поэтому, с моей (напоминаю — непрофессиональной) точки зрения, утверждения о «полноте» существующих моделей Природы должны делаться с учетом того, что «неизведанное рядом, но оно запрещено» :)
                              0
                              Физики просто гении.
                                0
                                отобрав у нас надежду на существование в природе неизвестного взаимодействия

                                То есть тёмной энергии таки нет?
                                И как существование в природе неизвестного взаимодействия следует из уточнённой постоянной. Может кто объяснит?

                                  –2
                                  Для начала было бы интересно объяснить, как постоянная тонкой структуры согласуется с экспериментами Подклетнова. Темная материя — объект пока что гипотетический, а тут — все прекрасно можно проверить в эксперименте. И миллионы баксов не нужны, как при создании БАКа, все можно делать чуть ли не на кухне.
                                  0
                                  del

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое