Дата Постоянная Планка

(х10^-34Дж/с)

Берден и Уотте			6,623 63 ± 0,000 16
Коэн и др.			6,625 17 ± 0,000 23
Кондон			6,625 60 ± 0,000 17
Коэн и Тейлор			6,626 176 ± 0,000 036
Коэн и Тейлор			6,626 075 5 ± 0,000004 0

Было сделано несколько попыток обнаружить из­менение постоянной Планка по красному смещению спектров излучения сильно удаленных квазаров и звезд. Суть идеи заключалась в том, что, если бы ве­личина этой фундаментальной константы изменилась, изменение можно было бы обнаружить, сравнивая из­лучение, возраст которого превышал несколько мил­лиардов лет, с намного более поздним излучением от сравнительно близко расположенных объектов. Было выявлено небольшое различие, которое привело к громкому заявлению, что величина постоянной План­ка ежегодно изменяется примерно на ⁵/₁₀¹³ Оппонен­ты указывают на то, что полученные результаты были предсказуемыми, поскольку все вычисления основыва­лись на изначальном допущении о неизменности этой фундаментальной константы[265]. Нетрудно заметить, что повторяется прежний аргумент. Строго говоря, на­чальное допущение подразумевало неизменность про­изведения hc, но, поскольку величина с является кон­стантой по определению, отсюда следует и неизмен­ность постоянной Планка h.

ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОСТОЯННОЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ

Одна из проблем при регистрации изменений величины любой из фундаментальных констант заключается в том, что при обнаружении таких изменений бывает сложно определить, являются ли они следствием непо­стоянства самой константы или же причина заключает­ся в изменении единиц измерения, с помощью которых определяется величина. Однако некоторые фундамен­тальные константы не имеют размерности, а выражают­ся только определенным числом, и поэтому вопрос о возможном изменении единиц измерения не возникает. Одной из таких безразмерных констант является отно­шение массы протона к массе электрона. Еще одним подобным примером может служить постоянная тонкой структуры. По этой причине некоторые специалисты в метрологии особенно подчеркивают, что «колебания величины физических "констант" следовало бы фор­мулировать с использованием безразмерных постоян­ных»[266].

Следуя такому мнению, в этом разделе я рассмат­риваю доказательство изменений величины посто­янной тонкой структуры (се), связанной с зарядом электрона, скоростью света в вакууме и постоянной Планка по формуле α = e²/2hcε₀, где ε₀ — диэлект­рическая проницаемость свободного пространства. Эта константа является характеристикой интенсивно­сти электромагнитных взаимодействий и равна при­близительно ¹/₁₃₇, но иногда выражается и обратной величиной. Постоянную тонкой структуры некото­рые физики рассматривают как одно из главных космических чисел, которые могут помочь объяснить единую теорию.

В период с 1929 по 1941 гг. величина постоянной тонкой структуры увеличилась приблизительно на 0,2% — с 7,283 х (10^-3) до 7,2976 х (10^-3)[267]. Это изме­нение в значительной степени можно отнести на счет возрастания величины заряда электрона и отчасти — уменьшения скорости света в вакууме, о которых шла речь выше. Как и при определении численных значе­ний других фундаментальных констант, имеются рас­хождения в результатах, полученных разными исследователями, а «лучшие» результаты были собраны и обобщены на основе обзора данных, имевшихся на каждый конкретный момент. Изменение этих согла­сованных результатов с 1941 по 1973 гг. приводится на ил. 17. Так же как и в случае с другими констан­тами, изменения, как правило, значительно превыша­ют величину допустимой погрешности. Например, увеличение численного значения этой константы за периоде 1951 по 1963 гг. превысило величину допус­тимой погрешности результатов, полученных в 1951 г. (стандартного отклонения), в 12 раз. Увеличение численного значения постоянной тонкой структуры, определенного в 1973 г., по сравнению с данными, полученными в 1963 г., примерно в пять раз превышало величину допустимой погрешности для данных 1963 г. Все численные значения приводятся в таблице 4.

Ил. 17. Лучшие результаты измерения постоянной тонкой структуры за период с 1941 по 1983 гг.

Таблица 4

ВЕЛИЧИНА ПОСТОЯННОЙ ТОНКОЙ

СТРУКТУРЫ, ИЗМЕРЕННАЯ ЗА ПЕРИОД

С 1951 ПО 1973 гг.

Автор	Дата	α (× 10^-3)
Берден и Уоттс		7,296 953 ± 0,000 028
Кондон		7,297 200 ± 0,000 033
Коэн и Тэйлор		7,297 350 ± 0,000 0060

Несколько исследователей в области космологии пришли к выводу, что постоянная тонкой структуры могла бы меняться на протяжении эволюции Вселен­ной[268]. Были предприняты попытки проверить эту гипо­тезу, анализируя спектр излучения звезд и квазаров. За основу было взято предположение, что расстояние от этих объектов до Земли пропорционально красному смещению спектров их излучения. По результатам из­мерений можно было предположить, что величина по­стоянной тонкой структуры или изменяется в крайне незначительной степени, или остается постоянной[269]. Однако, как и при всех других попытках доказать посто­янство фундаментальных констант с помощью астроно­мических наблюдений, было сделано множество допу­щений, в том числе — о неизменности других констант, об истинности современных космологических теорий и о правомерности использования красного смещения при определении расстояния до космических объектов. Все эти допущения были и остаются недоказанными и оспариваются теми специалистами в области космоло­гии и астрофизики, которые придерживаются иных воз­зрений[270].

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ КОНСТАНТЫ ИЗМЕНЯЮТСЯ?

Как мы уже убедились на приведенных выше примерах, эмпирические данные, получаемые в лабораторных экс­периментах, выявляют различные изменения величины констант в зависимости от года их измерения. Похожие изменения обнаруживаются и при измерениях величины других фундаментальных констант. Для упорных орто­доксов эти факты никоим образом не ставят под сомне­ние постоянство самих констант, так как все отклонения можно попытаться объяснить той или иной ошибкой в эксперименте. Из-за постоянного улучшения экспери­ментальных методов и совершенствования лабораторно­го оборудования с наибольшим доверием всегда принято относиться к самым последним эмпирическим данным, и если они отличаются от ранее полученных результатов, предыдущие заведомо считаются неверными. Исключе­ние составляют лишь те случаи, когда предшествующие данные подкреплены высоким авторитетом экспериментатора — как это произошло с Милликеном, измеряв­шим заряд электрона. Кроме того, специалисты по мет­рологии склонны переоценивать точность более совре­менных измерений. Может быть, именно поэтому более поздние измерения нередко отличаются от более ранних на величину, превышающую допустимую погрешность. Если бы специалисты в метрологии правильно оценива­ли свои ошибки, изменения величины констант показа­ли бы, что эти константы на самом деле флуктуируют. Наиболее показательный пример — уменьшение скоро­сти света в вакууме в период с 1928 по 1945 гг. Было ли это реальным природным изменением — или феномен объяснялся исключительно коллективным обманом и самообманом исследователей?

До последнего времени существовало лишь две ос­новные теории по поводу фундаментальных констант. Первая из них утверждает, что константы действитель­но являются постоянными, а все расхождения в эмпи­рических данных являются следствием той или иной ошибки. По мере того как наука прогрессирует, вели­чина этих ошибок уменьшается. В случае постоянного возрастания точности экспериментов результаты будут все лучше и лучше согласовываться друг с другом, и в конце концов мы придем к истинному численному зна­чению фундаментальной константы. Такой взгляд явля­ется общепринятым. Вторая теория возникла после того, как несколько специалистов в области теоретиче­ской физики высказали гипотезу, что одна или несколь­ко фундаментальных констант могут непрерывно и с постоянной скоростью изменяться в ходе эволюции Вселенной и такие изменения возможно уловить с по­мощью астрономических наблюдений за сверхудален­ными космическими объектами. Различные исследова­ния с использованием подобного рода наблюдений под­твердили, что такие изменения возможны, но сами эти исследования не бесспорны. Они основывались на предположениях, которые сами были призваны доказать, что константы являются константами и что современные космологические теории остаются верными во всех смыслах.

Лишь немногих заинтересовала третья гипотеза, ко­торой и посвящен данный раздел. Я допускаю возмож­ность, что фундаментальные константы могут в опреде­ленных пределах колебаться относительно средней вели­чины, которая и является истинной константой. Идея неизменности законов и констант — последний отголо­сок эры классической физики, в которой предполага­лось, что в каждый момент времени и в каждой отдельно взятой точке пространства должна присутствовать при­вычная и в принципе всегда предсказуемая математиче­ская упорядоченность. На практике ни в человеческой деятельности, ни в биологии, ни в атмосферных явлени­ях, ни даже в религии мы не наблюдаем ничего подобно­го. Революция хаоса показала, что этот совершенный порядок был лишь иллюзией[271]. Большая часть окружаю­щего нас мира изначально склонна к хаосу.

Колебания величины фундаментальных констант в экспериментальных измерениях, по-видимому, сопоста­вимы с расхождениями, которые могли бы появиться в том случае, если бы сами величины оставались неизмен­ными, но в эксперименте присутствовали систематичес­кие ошибки. Далее я предлагаю простой способ разгра­ничить две возможные трактовки экспериментальных результатов. Для примера возьмем гравитационную по­стоянную, потому что при измерении численного зна­чения именно этой фундаментальной константы в эмпи­рических данных выявляются наиболее значительные расхождения. Те же самые принципы можно было бы применить и к любой другой константе.

ЭКСПЕРИМЕНТ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМОЖНЫХ ФЛУКТУАЦИЙ ЧИСЛЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ

Принцип эксперимента прост. В настоящее время при лабораторных измерениях окончательная величина основывается на среднем значении, определяемом в целой серии отдельных опытов, а необъяснимые рас­хождения в экспериментальных данных приписыва­ются случайным ошибкам. Нетрудно заметить, что если флуктуации — будь они следствием изменений в околоземном пространстве или естественных хао­тических колебаний самой константы — действитель­но имели место, в процессе статистической обработ­ки полученных результатов они сглаживаются и от­мечаются как случайные ошибки. До тех пор пока измерения проводятся только в одной лаборатории, отличить действительные флуктуации от случайных ошибок будет невозможно.

Я предлагаю через равные промежутки времени — к примеру, раз в месяц — проводить серии измерений величины гравитационной постоянной в нескольких лабораториях, расположенных в разных частях све­та, и использовать для этого самые точные из доступ­ных методов. Позднее (к примеру, через несколько лет) следует сравнить все полученные результаты. Если за прошедший период действительно происхо­дили флуктуации величины этой константы, то неза­висимо от их причины они будут зафиксированы в различных местах. Иными словами, «ошибки» долж­ны допускаться синхронно, в один месяц увеличивая показатели, а в другой уменьшая. Таким способом можно получить действительную картину изменения численного значения гравитационной постоянной, и ее уже нельзя будет опровергнуть, объясняя откло­нения случайными ошибками в эксперименте.

Затем следовало бы отыскать другие возможные объяснения этих флуктуации, исключив возможность изменения численного значения самой константы, но учитывая вероятность изменения единиц измерения. Невозможно заранее предсказать, к каким результа­там приведут подобные исследования. В любом слу­чае важно приступить к поиску согласованных колебаний, регистрируемых различными коллективами исследователей. Можно с полной уверенностью ут­верждать, что, если целенаправленно искать флукту­ации, шансов на успех будет гораздо больше. Совре­менная система теоретических воззрений, напротив, побуждает каждого исследователя направлять свои усилия на исключение любых колебаний в экспериментальных результатах — на том основании, что численные значения фундаментальных констант заве­домо должны быть одинаковыми независимо от мес­та и времени проведения эксперимента.

В отличие от других экспериментов, предлагаемых в этой книге, в данном исследовании должны принять участие ученые многих стран. Но даже при этом ус­ловии финансовые затраты окажутся не слишком велики, если эксперименты будут проводиться в ла­бораториях, уже оснащенных необходимым для подобных измерений оборудованием. Кроме того, иссле­дования можно провести даже с помощью одних толь­ко студентов. В литературе описано нескольких не­дорогих методов определения численного значения гравитационной постоянной, в том числе классиче­ский метод Кавендиша, использовавшего в своих опы­тах крутильные весы, а также улучшенный метод, недавно разработанный для демонстрации в учебных целях. Последний метод обеспечил точность измере­ний в пределах 0,1%[272].

Непрерывное повышение точности измерений дает возможность выявить самые незначительные измене­ния в численном значении фундаментальных кон­стант. К примеру, точность измерений численного значения гравитационной постоянной могло бы зна­чительно повысить использование космических аппа­ратов и спутников. Соответствующие методики уже предлагаются и обсуждаются[273]. Это как раз та об­ласть, в которой серьезные вопросы требуют прове­дения серьезных научных исследований.

Но прежде всего следует рассмотреть другой вари­ант. Существует способ провести подобное исследо­вание с минимальными материальными затратами. Для этого необходимо тщательно изучить все первич­ные данные, полученные в различных лабораториях за последние несколько десятилетий. Потребуется содействие многих ученых, работающих в этой области, так как первичные результаты хранятся в лабора­торных журналах и в памяти персональных компью­теров различных исследователей, а многие из них с большой неохотой открывают посторонним доступ к собственным записям. Тем не менее, обеспечив такое сотрудничество, можно было бы уже сейчас распола­гать данными, необходимыми для выявления флукту­ации численного значения гравитационной постоян­ной, зарегистрированных в различных уголках мира. Факт колебаний численных значений фундамен­тальных констант имел бы огромное значение. Разви­тие природы уже нельзя было бы рассматривать как строго единообразное. Стало бы очевидно, что флук­туации происходят в самом сердце физической реаль­ности. В том случае если численные значения различ­ных фундаментальных констант изменяются с раз­личной частотой, должен быть неоднороден и сам ход времени — но не в том смысле, в каком этот вопрос обычно рассматривает астрология, а в более ради­кальном.

ГЛАВА 7

Дата добавления: 2015-05-26