Перемены постоянны: существуют ли вообще универсальные законы?
http://www.newscientist.com/article/mg20827830.900-constant-change-are-there-no-universal-laws.html?full=true
Похожена то, что в разных местах вселенной действует разная физика. Если это действительно так, то всё, что, как нам кажется, мы знаем о космосе, может оказаться неправдой.
Нелегко быть Джоном Веббом. Иногда, рассказывая о своей работе, он заявляет: "Удивлён, что у тебя хватило смелости это сказать ."
Джон Вебб, астрономом по профессии, в самом деле не понимает что ему делать. "Я только регистрирую данные наблюдений", говорит он. Проблема в том, что данные Вебба, требуют, чтобы мы переписали законы физики.
Как переписать, мы ещё толком не знаем. Согласно анализу света, поступающего с отдалённых галактик, законы физики могут зависить от направления с которым вы работаете. И может означать воскрешение эфира, субстанции, котарая, как когда то думали, пронизывает всё пространство, пока Эйнштейн не отменил её век назад . Или даже введение дополнительных измерений.
В любом случае, последствия опытов Вебба огромны. Если его команда не ошибается, данная работа рубит под корень специальную теорию относительности Эйнштейна и всё наше понимание вселенной.
Когда столько всего поставлено на кон, неудивительно что оппозиция активизировалась. "Это было бы сенсацией, если бы так было на самом деле," говорит космолог Мах Тегсмарк из Массачусетского технологического института, "но я всё ещё не убежден до конца. Ленокс Коуи, астроном из Гавайского университета заявил напрямую: "Я этому не верю."
Вебб, сам из университета UNSW города Сидней, Австралия, первый раз столкнулся с нападками учёных около десети лет назад, получив странные результаты при работе с телескопом Кека на Гаваях. Он наблюдал в то время за квазарами, суперяркими галактиками, расположенными в отдалённом космосе. Свет из квазара на своём 12 миллиардно-летнем пути к Земле проходит через облака атомов магния и железа частично абсорбируясь этими атомами.
Странно было то, как показал анализ Вебба, что атомы поглотили неправильный вид света. Длина световой волны, поглощаемой атомами магния и железа, может быть рассчитана используя уравнения квантовой электродинамики, но те длины, которые зафиксировал Вебб были другими. Похоже на то, что 12 миллиардов лет назад железо и магний поглощали фотоны света с энергиями, отличающимися от тех, которые они поглощают сегодня.
Хотя у Вебба имеется объяснение. Результаты наблюдений стыкуются идеально, если поменять одну из основных постоянных величин в природе, известную как постоянная тонкой структуры или альфа. Эта постоянная является одним из столпов квантовой электродинамики, диктуя среди всего прочего, какие фотоны поглотятся определёнными атомами.
Сегодняшнее значение альфы приблизительно 1/137. Но работа Вебба показала, что миллиарды лет назад, она была на одну миллионную меньше. Никто не поверил в правильность результата, но и никто не смог найти ошибку в анализе, проведённом Веббом. Единственным объяснением мог бы быть какой-нибудь брак в телескопе Кека. Поэтому Вебб обратился к помощи Очень Большого телескопа в Чиле (VLT - Very Large Telescope), чтобы проанализировать свет, поступающий от квазаров.
Студент Вебба Джулиан Кинг только что завершил наблюдения. "Когда я начинал, я тихо надеялся, что мы обнаружим то же самое, что нашёл Кек, иначе придётся просто искать брак в Кеке", говорит Кинг. Страхи Кинга оказались напрасными. Был получен тот же эффект, что и с Кеком: обнаруженная альфа немного отличалась от принятого значения. Однако большим сюрпризом оказалось, что на этот раз константа была больше, а не меньше.
Веббу кажется, он знает почему: альфа определённо варьируется, но не во времени, а в пространстве. Это поразительное заключение базируется на том, что телескоп Кека и VLT обращены к разным частям неба. Вообразите прямую линию, идущую от газового облака, использованного в наблюдениях Кека к облакам, которые наблюдает VLT. Согласно результатам, полученным Кингом, значение альфы возрастает по мере продвижения вдоль этой линии. "Чем дальше вы продвигаетесь на юг, тем сильнее изменяется значение альфы", говорит он.
Нарушенная симметрия
Другими словами, похоже на то, что альфа мала на одном краю Вселенной и велика на другом. Земля находится где то по середине. "И если мы не разрушили законы физики в наших предыдущих наблюдениях, мы определённо попираем их сейчас", говорит Мишель Мерфи, который работает с Веббом.
И в шутке Мерфи лиш; половина шутки. Ещё в 2002 годы Алан Костелеску, Ральф Лехнерт и Малкольм Перри показали, что пространственные вариации альфы нарушат симметрию Лоренца. А это золотое правило специальной теории относительности Эйнштейна. Оно говорит о том, что законы физики одинаково применимы ко всем направлениям Вселенной и не зависят от скорости с которой вы движетесь. Поэтому некто, проводящий эксперимент, двигаясь со скоростью близкой к световой от Земли к Альфе Центавра, будет иметь те же результаты, как и путешествующий в обратном направлении, и оба они согласятся с тем, кто проводит эксперименты в лаборатории дома.
Итак, мы столкнулись с настоящей проблемой, даже учитывая то, что пространственная вариация законов физики от Земли до Альфы Центавра будет ничтожна. "Это вопрос принципа", говорит Крейг Хоган из Иллинойса. "Вы можете сделать экстраполяцию на более значительные расстояния и ожидать, что физика будет абсолютно другой там, вдалеке."
Это неприемлимо. Начнём с того, что наши модели Вселенной основаны на том принципе, что всё работает одинаково в любой точке пространства и времени. Если законы физики - передвижной банкет, то наша тщательно разработанная история Вселенной разваливается на куски. Вместо неё мы получим то, что великий физик Джон Уилер назвал "упорядочено по регламенту". Единственным утешением является то, что данный сценарий обеспечивает некую поддержку теории струн.
Выравнивание космоса
Нарушения симметрии Лоренса имеют и другие последствия. Если законы физики зависят от вашего местоположения и направления во Вселенной, то физика возвращается более, чем на сто лет назад - в век эфира.
Концепция эфира была разработана физиками 19 века, которые полагали, что свету для перемещения требуется посредник, подобно тому как нужен воздух для продвижения звука. Они предположили, что существование эфира может быть обнаружено благодаря движению Земли сквозь эфир, что создало бы "эфирный ветер". И это означяет, что в экспериментах, спланированных для измерения скорости света, будут получены разные результаты, в зависимости от направления измеряемого света.
Однако поворотный эксперимент, проведённый в 1887 году Альбертом Михельсоном и Эдвардом Морли не смог предоставить доказательства подобного эффекта. Эйнштейн сделал вывод, что отсутствие эфира означает, что скорость света постоянна в любой точке, и использовал это как каркас для специальной теории относительности.
Всё ещё не завершён поиск доказательств несостоятельности преобразований Лоренца. Мы знаем, что теории относительности Эйнштейна не являются окончательным словом в науке. Костолеску и остальные изучают некоторые вещи, например, поведение нейтрино и способ вращения нейтронов, чтобы обнаружить слабые места этих теорий. Пока что они терпят неудачу, делая тем самым результаты Вебба ещё более интригующими.
Итак, что нам делать в связи со всем этим? Один из ответов - не делать ничего, пока мы не получим результаты, подтверждающие выводы Вебба.
Физики - они чрезвычайно осторожный народ. Вим Убах, физик-атомщик из Свободного Университета г, Амстердам, Нидерланды, назвавший результаты опытов Вебба, новостями года в физике, призывает к крайней осторожности. "Всё это очень увлекательно, потому что намекает на новую физику, на нечто совсем другое", говорит он. "Но всё должно быть ещё переправерено и воспроизведено."
Одним из лучших методов верификации, может быть сравнивание полученных Веббом результатов с другими обнаруженными ересями. Так же как магнитный северный полюс помогает всем ориентироваться на Земле, линия, вдоль которой увеличивается альфа, может рассматриваться как ось или линия, определяющая направление в космосе. Но существуют и другие оси. Например анализ космической микроволновой фоновой радиации выявил то , что Джао Магейо и Кейт Лэнд из Королевского Лондонского коолледжа назвали осью зла. Если Вселенная одинакова везде, независимо откуда вы наблюдаете, то горячие и холодные районы радиации будут произвольно распределенны по небу. Однако, похоже не то, что горячие и холодные районы имеют определённое направление в космосе, хотя ситуация всё таки сильно отличается от случая с осью альфы.
Вместе с тем, ось альфы сравнима с другой космической аномалией. В 2008 году Саша Кашинский из космического центра НАСА, Мериленд, обнаружил громадную фалангу галактик, движущуюся через Вселенную. Галактики устремлены по непонятной причине по направлению к пустому пространству между созведиями Центавра и Парусов. Дальнейшее наблюдение подтвердило движение: они движутся со скоростью около 1000 км/с, возможно под влиянием гравитации какой то гигантской структуры, расположенной за космическим горизонтом, в том же направлении, что и ось альфы. "Похоже, что наша линия не слишком далека от той," говорит Вебб.
Учёные рассматривают и другии версии. В молодой Вселенной существовала линия избытка дейтерия, и она была расположена параллельно оси альфы. Ещё одна линия происходит из интенсивного света сверхновой звезд, и эта линия, по словам Кинга "примерно рядом" с осью альфы. "До оканчательных доказательств ещё далеко, но люди прогнали симуляцию для вычисления статистического шанса того, что все эти линии соориентированы, и он достаточно невелик," говорит Кинг.
Есть и другие опции для исследований. Взгляните на то, каким образом облака молекул водорода поглощают свет квазаров, и вы обнаружите возможные свидетельства существования ещё одной оси.
Линии в космосе не единственный источник доказательств другой физики. Дальнейшие исследования скоплений гелия и лития в ранней Вселенной могут предоставить свидетельства изменчивости других постоянных, например тех, что связаны с сильными взаимодействиеями и сохраняют цельность атомных ядер.
Фактически, доказательство изменчивости одной из дюжины постоянных величин в физике, поможет объяснить изменчивость альфы; общепринято, что если одна константа меняется, то и остальные будут изменяться. "Я не могу представить единую теорию вселенной, в которой альфа изменяется, а остальные постоянные - нет", говорит Виктор Фламбаум, один из коллег Вебба по UNSW.
Необязательно, что доказательства будут найдены в космосе. Работая вместе с Джулианом Беренгатом (Julian Berengut), Фламбаум составил список из методов проверки альфы и других постоянных на Земле. Изменения в альфе, например, могут быть обнаружены атомными часами по мере движения Земли в космическом пространстве. К сожалению, наши лучшие атомные часы ещё не настолько чувствительны, чтобы определить изменения того уровня, с которым имеет дело команда Вебба. Хотя более чувствительные часы уже на подходе.
Вместе с тем, Костелеску предполагает, что тот факт, что переменная альфа нарушает симметрию Лоренца, может предоставить ещё один способ проверки. "Можно получить сигналы в лабораторных экспериментах", говорит он.
Однако, большинство учёных убеждены, что всё это напрасная трата времени. "Подобные аномалии появляются и пропадают", говорит Педро Феррейя из Оксворда.
Итак, что должно произойти, чтобы мир признал изменения в постоянных? Статстический шанс, что результаты , полученные Веббом не случайны - 99,9937 процентов. Хотя он выглядит благонадёжным, в науке принято рассчитывать на 99,99994 процентов достоверности научного открытия. "Я не верю, что даже в таком случае люди воспримут это серьёзно", говорит Феррейра. Этого недостаточно, чтобы кто-нибудь начал переписывать законы физики, полагает он, ставки слишком высоки.
Вебб остаётся оптимистом. "У нас имеются самые точные измерения, когда-либо сделанные в физике большой части Вселенной', говорит он. "Никто не указал на проблему в анализе или системную ошибку в рассчётах, которая привела к полученным результатам." Единственный способ опровержения, сказать: "Я в это не верю". Люди хватаются за соломинку".
Существует множество прецендентов, когда аномалии приводят к научным революциям. К несчастью для Вебба, требуются десятилетия, чтобы собрать достаточно доказательств, и реабилитация приходит, когда все участники первоначального открытия покинули этот мир. Это должно быть нелегко быть Джоном Веббом сейчас, но возможно его утешает мысль, что его имя надолго переживёт его самого.
Похожена то, что в разных местах вселенной действует разная физика. Если это действительно так, то всё, что, как нам кажется, мы знаем о космосе, может оказаться неправдой.
Нелегко быть Джоном Веббом. Иногда, рассказывая о своей работе, он заявляет: "Удивлён, что у тебя хватило смелости это сказать ."
Джон Вебб, астрономом по профессии, в самом деле не понимает что ему делать. "Я только регистрирую данные наблюдений", говорит он. Проблема в том, что данные Вебба, требуют, чтобы мы переписали законы физики.
Как переписать, мы ещё толком не знаем. Согласно анализу света, поступающего с отдалённых галактик, законы физики могут зависить от направления с которым вы работаете. И может означать воскрешение эфира, субстанции, котарая, как когда то думали, пронизывает всё пространство, пока Эйнштейн не отменил её век назад . Или даже введение дополнительных измерений.
В любом случае, последствия опытов Вебба огромны. Если его команда не ошибается, данная работа рубит под корень специальную теорию относительности Эйнштейна и всё наше понимание вселенной.
Когда столько всего поставлено на кон, неудивительно что оппозиция активизировалась. "Это было бы сенсацией, если бы так было на самом деле," говорит космолог Мах Тегсмарк из Массачусетского технологического института, "но я всё ещё не убежден до конца. Ленокс Коуи, астроном из Гавайского университета заявил напрямую: "Я этому не верю."
Вебб, сам из университета UNSW города Сидней, Австралия, первый раз столкнулся с нападками учёных около десети лет назад, получив странные результаты при работе с телескопом Кека на Гаваях. Он наблюдал в то время за квазарами, суперяркими галактиками, расположенными в отдалённом космосе. Свет из квазара на своём 12 миллиардно-летнем пути к Земле проходит через облака атомов магния и железа частично абсорбируясь этими атомами.
Странно было то, как показал анализ Вебба, что атомы поглотили неправильный вид света. Длина световой волны, поглощаемой атомами магния и железа, может быть рассчитана используя уравнения квантовой электродинамики, но те длины, которые зафиксировал Вебб были другими. Похоже на то, что 12 миллиардов лет назад железо и магний поглощали фотоны света с энергиями, отличающимися от тех, которые они поглощают сегодня.
Хотя у Вебба имеется объяснение. Результаты наблюдений стыкуются идеально, если поменять одну из основных постоянных величин в природе, известную как постоянная тонкой структуры или альфа. Эта постоянная является одним из столпов квантовой электродинамики, диктуя среди всего прочего, какие фотоны поглотятся определёнными атомами.
Сегодняшнее значение альфы приблизительно 1/137. Но работа Вебба показала, что миллиарды лет назад, она была на одну миллионную меньше. Никто не поверил в правильность результата, но и никто не смог найти ошибку в анализе, проведённом Веббом. Единственным объяснением мог бы быть какой-нибудь брак в телескопе Кека. Поэтому Вебб обратился к помощи Очень Большого телескопа в Чиле (VLT - Very Large Telescope), чтобы проанализировать свет, поступающий от квазаров.
Студент Вебба Джулиан Кинг только что завершил наблюдения. "Когда я начинал, я тихо надеялся, что мы обнаружим то же самое, что нашёл Кек, иначе придётся просто искать брак в Кеке", говорит Кинг. Страхи Кинга оказались напрасными. Был получен тот же эффект, что и с Кеком: обнаруженная альфа немного отличалась от принятого значения. Однако большим сюрпризом оказалось, что на этот раз константа была больше, а не меньше.
Веббу кажется, он знает почему: альфа определённо варьируется, но не во времени, а в пространстве. Это поразительное заключение базируется на том, что телескоп Кека и VLT обращены к разным частям неба. Вообразите прямую линию, идущую от газового облака, использованного в наблюдениях Кека к облакам, которые наблюдает VLT. Согласно результатам, полученным Кингом, значение альфы возрастает по мере продвижения вдоль этой линии. "Чем дальше вы продвигаетесь на юг, тем сильнее изменяется значение альфы", говорит он.
Нарушенная симметрия
Другими словами, похоже на то, что альфа мала на одном краю Вселенной и велика на другом. Земля находится где то по середине. "И если мы не разрушили законы физики в наших предыдущих наблюдениях, мы определённо попираем их сейчас", говорит Мишель Мерфи, который работает с Веббом.
И в шутке Мерфи лиш; половина шутки. Ещё в 2002 годы Алан Костелеску, Ральф Лехнерт и Малкольм Перри показали, что пространственные вариации альфы нарушат симметрию Лоренца. А это золотое правило специальной теории относительности Эйнштейна. Оно говорит о том, что законы физики одинаково применимы ко всем направлениям Вселенной и не зависят от скорости с которой вы движетесь. Поэтому некто, проводящий эксперимент, двигаясь со скоростью близкой к световой от Земли к Альфе Центавра, будет иметь те же результаты, как и путешествующий в обратном направлении, и оба они согласятся с тем, кто проводит эксперименты в лаборатории дома.
Итак, мы столкнулись с настоящей проблемой, даже учитывая то, что пространственная вариация законов физики от Земли до Альфы Центавра будет ничтожна. "Это вопрос принципа", говорит Крейг Хоган из Иллинойса. "Вы можете сделать экстраполяцию на более значительные расстояния и ожидать, что физика будет абсолютно другой там, вдалеке."
Это неприемлимо. Начнём с того, что наши модели Вселенной основаны на том принципе, что всё работает одинаково в любой точке пространства и времени. Если законы физики - передвижной банкет, то наша тщательно разработанная история Вселенной разваливается на куски. Вместо неё мы получим то, что великий физик Джон Уилер назвал "упорядочено по регламенту". Единственным утешением является то, что данный сценарий обеспечивает некую поддержку теории струн.
Выравнивание космоса
Нарушения симметрии Лоренса имеют и другие последствия. Если законы физики зависят от вашего местоположения и направления во Вселенной, то физика возвращается более, чем на сто лет назад - в век эфира.
Концепция эфира была разработана физиками 19 века, которые полагали, что свету для перемещения требуется посредник, подобно тому как нужен воздух для продвижения звука. Они предположили, что существование эфира может быть обнаружено благодаря движению Земли сквозь эфир, что создало бы "эфирный ветер". И это означяет, что в экспериментах, спланированных для измерения скорости света, будут получены разные результаты, в зависимости от направления измеряемого света.
Однако поворотный эксперимент, проведённый в 1887 году Альбертом Михельсоном и Эдвардом Морли не смог предоставить доказательства подобного эффекта. Эйнштейн сделал вывод, что отсутствие эфира означает, что скорость света постоянна в любой точке, и использовал это как каркас для специальной теории относительности.
Всё ещё не завершён поиск доказательств несостоятельности преобразований Лоренца. Мы знаем, что теории относительности Эйнштейна не являются окончательным словом в науке. Костолеску и остальные изучают некоторые вещи, например, поведение нейтрино и способ вращения нейтронов, чтобы обнаружить слабые места этих теорий. Пока что они терпят неудачу, делая тем самым результаты Вебба ещё более интригующими.
Итак, что нам делать в связи со всем этим? Один из ответов - не делать ничего, пока мы не получим результаты, подтверждающие выводы Вебба.
Физики - они чрезвычайно осторожный народ. Вим Убах, физик-атомщик из Свободного Университета г, Амстердам, Нидерланды, назвавший результаты опытов Вебба, новостями года в физике, призывает к крайней осторожности. "Всё это очень увлекательно, потому что намекает на новую физику, на нечто совсем другое", говорит он. "Но всё должно быть ещё переправерено и воспроизведено."
Одним из лучших методов верификации, может быть сравнивание полученных Веббом результатов с другими обнаруженными ересями. Так же как магнитный северный полюс помогает всем ориентироваться на Земле, линия, вдоль которой увеличивается альфа, может рассматриваться как ось или линия, определяющая направление в космосе. Но существуют и другие оси. Например анализ космической микроволновой фоновой радиации выявил то , что Джао Магейо и Кейт Лэнд из Королевского Лондонского коолледжа назвали осью зла. Если Вселенная одинакова везде, независимо откуда вы наблюдаете, то горячие и холодные районы радиации будут произвольно распределенны по небу. Однако, похоже не то, что горячие и холодные районы имеют определённое направление в космосе, хотя ситуация всё таки сильно отличается от случая с осью альфы.
Вместе с тем, ось альфы сравнима с другой космической аномалией. В 2008 году Саша Кашинский из космического центра НАСА, Мериленд, обнаружил громадную фалангу галактик, движущуюся через Вселенную. Галактики устремлены по непонятной причине по направлению к пустому пространству между созведиями Центавра и Парусов. Дальнейшее наблюдение подтвердило движение: они движутся со скоростью около 1000 км/с, возможно под влиянием гравитации какой то гигантской структуры, расположенной за космическим горизонтом, в том же направлении, что и ось альфы. "Похоже, что наша линия не слишком далека от той," говорит Вебб.
Учёные рассматривают и другии версии. В молодой Вселенной существовала линия избытка дейтерия, и она была расположена параллельно оси альфы. Ещё одна линия происходит из интенсивного света сверхновой звезд, и эта линия, по словам Кинга "примерно рядом" с осью альфы. "До оканчательных доказательств ещё далеко, но люди прогнали симуляцию для вычисления статистического шанса того, что все эти линии соориентированы, и он достаточно невелик," говорит Кинг.
Есть и другие опции для исследований. Взгляните на то, каким образом облака молекул водорода поглощают свет квазаров, и вы обнаружите возможные свидетельства существования ещё одной оси.
Линии в космосе не единственный источник доказательств другой физики. Дальнейшие исследования скоплений гелия и лития в ранней Вселенной могут предоставить свидетельства изменчивости других постоянных, например тех, что связаны с сильными взаимодействиеями и сохраняют цельность атомных ядер.
Фактически, доказательство изменчивости одной из дюжины постоянных величин в физике, поможет объяснить изменчивость альфы; общепринято, что если одна константа меняется, то и остальные будут изменяться. "Я не могу представить единую теорию вселенной, в которой альфа изменяется, а остальные постоянные - нет", говорит Виктор Фламбаум, один из коллег Вебба по UNSW.
Необязательно, что доказательства будут найдены в космосе. Работая вместе с Джулианом Беренгатом (Julian Berengut), Фламбаум составил список из методов проверки альфы и других постоянных на Земле. Изменения в альфе, например, могут быть обнаружены атомными часами по мере движения Земли в космическом пространстве. К сожалению, наши лучшие атомные часы ещё не настолько чувствительны, чтобы определить изменения того уровня, с которым имеет дело команда Вебба. Хотя более чувствительные часы уже на подходе.
Вместе с тем, Костелеску предполагает, что тот факт, что переменная альфа нарушает симметрию Лоренца, может предоставить ещё один способ проверки. "Можно получить сигналы в лабораторных экспериментах", говорит он.
Однако, большинство учёных убеждены, что всё это напрасная трата времени. "Подобные аномалии появляются и пропадают", говорит Педро Феррейя из Оксворда.
Итак, что должно произойти, чтобы мир признал изменения в постоянных? Статстический шанс, что результаты , полученные Веббом не случайны - 99,9937 процентов. Хотя он выглядит благонадёжным, в науке принято рассчитывать на 99,99994 процентов достоверности научного открытия. "Я не верю, что даже в таком случае люди воспримут это серьёзно", говорит Феррейра. Этого недостаточно, чтобы кто-нибудь начал переписывать законы физики, полагает он, ставки слишком высоки.
Вебб остаётся оптимистом. "У нас имеются самые точные измерения, когда-либо сделанные в физике большой части Вселенной', говорит он. "Никто не указал на проблему в анализе или системную ошибку в рассчётах, которая привела к полученным результатам." Единственный способ опровержения, сказать: "Я в это не верю". Люди хватаются за соломинку".
Существует множество прецендентов, когда аномалии приводят к научным революциям. К несчастью для Вебба, требуются десятилетия, чтобы собрать достаточно доказательств, и реабилитация приходит, когда все участники первоначального открытия покинули этот мир. Это должно быть нелегко быть Джоном Веббом сейчас, но возможно его утешает мысль, что его имя надолго переживёт его самого.