Стандартная модель Вселенной вызывает сомнения

Großansicht des Bildes mit der Bildunterschrift: Телескоп Hubble вглядывается в бездны Вселенной

Сегодняшние научные представления о Вселенной сводятся к так называемой стандартной модели. На прошедшем в Лиссабоне астрономическом конгрессе были представлены данные измерений, в эту модель не укладывающиеся.

 

Все наши представления о Вселенной и о действующих в ней физических законах основаны на разработанной учеными так называемой стандартной модели, в которой первостепенную роль играют фундаментальные физические постоянные. Наверное, самым известным примером такой константы является скорость света в вакууме, однако есть и другие, ничуть не менее важные. Скажем, так называемые константы связи - параметры, характеризующие силу взаимодействия частиц или полей.

Частиц - сотни, взаимодействий - всего четыре

Согласно сегодняшним представлениям физиков, весь материальный мир построен из элементарных частиц и античастиц, связанных разного вида взаимодействиями. Количество обнаруженных элементарных частиц измеряется уже сотнями, и ученые открывают все новые. Зато видов фундаментальных взаимодействий между частицами известно всего четыре: гравитация, электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.

Первые два вида взаимодействия едва ли нуждаются в пояснениях, поскольку с ними мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни. Что же касается двух других видов взаимодействия, то следует, видимо, напомнить: сильное взаимодействие удерживает вместе протоны и нейтроны, образующие ядра атомов; а слабое взаимодействие расталкивает их. И каждый из этих видов взаимодействия характеризуется определенной константой. Правда, среди физиков не утихают споры о том, действительно ли значения этих констант неизменны во времени.

Речь идет, прежде всего, о так называемой константе тонкой структуры. Эта безразмерная величина, обозначаемая буквой α (альфа), характеризует силу электромагнитного взаимодействия, то есть определяет тонкое расщепление энергетических уровней атома (и, соответственно, спектральных линий).

Первые сомнения зародились 10 лет назад

Хотя константа тонкой структуры была введена немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом (Arnold Sommerfeld) еще в 1916 году, на вопрос о том, является ли она действительно постоянной, окончательного ответа нет и сегодня. "Судя по результатам наших измерений, нет, не является!" - говорит австралийский физик Джон Уэбб (John Webb), профессор Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. Еще десять лет назад руководимая им группа ученых проанализировала с помощью американского телескопа Кек (Keck Telescope) на Гаваях те изменения, которые претерпевает свет далеких квазаров при прохождении сквозь межгалактические газопылевые облака, и обнаружила, что спектры поглощения несколько отличаются от предсказанных. Этот феномен мог иметь лишь одно объяснение: несколько миллиардов лет назад значение константы тонкой структуры было чуть-чуть меньшим, чем сегодня.

Работа австралийцев вызвала сенсацию. Правда, контрольные измерения, выполненные вскоре их американскими коллегами, дали иной результат и подтвердили постоянство константы, но споры среди физиков с тех пор не затихают.

В северном направлении - уменьшается, в южном - возрастает

Продолжились они и на завершившемся на прошлой неделе в Лиссабоне Объединенном конгрессе европейских и национальных астрономических обществ JENAM-2010 (Joint European and National Astronomy Meeting). Там группа Джона Уэбба представила результаты свои последних измерений, на сей раз выполненных с помощью европейского Очень большого телескопа (Very Large Telescope - VLT) в Чили.

"Там, в дальнем космосе, мы снова обнаружили отклонение от принятого значения константы, - говорит ученый. - Правда, оно составляет менее одной тысячной процента, но это не так уж и мало, если иметь в виду, что сегодня значение константы измерено до 15-го знака после запятой". Примечательно, однако, что обнаруженное теперь изменение имеет другой знак, нежели 10 лет назад: тогда получалось, что значение константы со временем увеличивается, сейчас - что уменьшается. По мнению профессора Уэбба, это связано с тем, что один телескоп был направлен в северное небо, другой - в южное: "Похоже, во Вселенной имеется некое предпочтительное направление. В одну сторону вдоль этого направления значение константы растет, в противоположную - уменьшается. А под прямым углом к этой линии константа остается постоянной".

Звучит все это просто невероятно, но, с другой стороны, раз уж речь идет о переменности константы, то ничто не мешает ей иметь разные значения в разных участках Вселенной.

Ревизия космологии неизбежна?

Так или иначе, профессор Уэбб уверен, что полученные результаты приведут к революции в космологии: "Современная космология построена на так называемом космологическом принципе, постулирующем, что в большом масштабе Вселенная однородна, изотропна, гомогенна. В один и тот же момент времени каждый наблюдатель, где бы он ни находился и куда бы ни смотрел, должен видеть одну и ту же картину. В любом уголке пространства любой физический эксперимент должен давать один и тот же результат. А наши наблюдения с этим принципом, похоже, не согласуются".

"Для физиков это означает, что нам нужна новая теория, - добавляет профессор Виктор Флэмбаум (Victor Flambaum), коллега и соавтор Уэбба. - Данные об изменении константы противоречат всем сегодняшним теоретическим моделям, включая и теорию относительности Эйнштейна. Даже если изменения крайне малы, все равно без новых идей нам не обойтись. Мы сразу оказываемся в совершенно новом мире".

Тонкая подстройка параметров Вселенной

Если фундаментальные константы все же меняются во времени, это могло бы объяснить главную загадку, связанную с возникновением Вселенной: дело в том, что Вселенная в ее сегодняшнем виде вообще могла возникнуть только при условии, что все константы имеют ровно те значения, что они имеют. Уже самое незначительное отклонение в величине, скажем, константы сильного взаимодействия имело бы катастрофические последствия: будь она всего на одну десятитысячную больше или меньше, и образование атомов углерода, а значит, и зарождение органической жизни, стали бы невозможными.

Профессор Мюнхенского университета, лауреат Нобелевской премии по физике Теодор Хенш (Theodor Hänsch) говорит об этом так: "Если константы все же изменяются, это означает, что Господь Бог имел, так сказать, возможность немножко подрегулировать, подправить наш мир. Ему не пришлось сразу создавать законченную Вселенную с этими раз и навсегда математически вычисленными константами. Этим и объясняется то, что мы живем в мире, в котором возможна жизнь".

Вселенная гораздо больше, чем нам представляется

А еще один коллега и соавтор Уэбба - профессор Джулиан Кинг (Julian King) - высказывает следующее соображение: "Тот факт, что мы наблюдаем непрерывное направленное изменение значения константы тонкой структуры, заставляет предположить, что нашему взгляду доступен лишь незначительный участок  космического пространства. Вся Вселенная гораздо больше, чем ее наблюдаемая часть - ведь у нас нет ни малейших оснований полагать, что мы находимся в какой-то особой ее точке. А значит, где-то очень далеко от нас эта константа может принимать и совсем другие значения, сильно отличающиеся от здешних".

Ну, а пока стандартная модель Вселенной - за неимением лучшей - продолжает действовать.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман