|
Nepastovios konstantos
Papildomai skaitykite: Nepaprastai suderinta Visatos sandara Kai kurie dydžiai niekada nesikeičia. Fizikai juos vadina gamtos konstantomis. Tokios yra:
c, šviesos greitis; G, Niutono gravitacijos konstanta; me, elektrono masė.
Laikoma, kad jos tos pačios visoje Visatoje. Jos sudaro fizikos teorijų pagrindą, nes apibrėžia mūsų Visatos audinio savybes.
Tačiau mažai kas rūpinosi išsiaiškinti, kodėl jos tokios, o ne kitokios SI vienetais: Tačiau paskutiniu metu konstantų statusas susijaukė. Geriausiu kandidatu vieningai teorijai pradėta laikyti
m-teorija (žr. ir Lyginamoji kosmologija),
stygų teorijos atmaina,
kurioje mūsų visata yra 11 matavimų. Vienas jos ypatybių kad konstantos nėra fundamentalios mes regime tik jų trimačius šešėlius".
Taip pat fizikai ima pripažinti, kad daugelio konstantų įgytos reikšmės tėra laimės dalykas tokios nusistovėjo per
daugybę atsitiktinių įvykių ir elementariųjų dalelių formavimąsi ankstyvuoju Visatos
kūrimosi laikotarpiu. Stygų teorija numato milžinišką kiekį galimų
pasaulių" su skirtingais dėsnių rinkiniais: 100500. Galbūt, pasirodys, kad
mūsų Visata yra vienintelė, tačiau neturime atmesti ir galimybės, kad ji tėra viena iš daugelio
multivisatų (lygiagrečių ar daugybinių visatų).
Kokia liniuote galime pasitikėti?
Dar daugiau, gali būti, kad net mūsų konstantos" kinta tiek laike, tiek erdvėje. Jei
keičiasi papildomi matavimai, mūsų trimačio pasaulio konstantos irgi keičiasi. Taip pat labai
tolimose Visatos srityse konstantų reikšmės taipogi gali būti kiek kitokios. Tokios mintys skatina ieškoti galimo konstantų pokyčio.
Tačiau pirmoji problema ta, kad mūsų laboratoriniai prietaisai patys gali būti jautrūs
konstantų pokyčiams. Atomų apimtys gali padidėti, tačiau kartu pailgėja ir liniuotė", kuria jas
matuojame. Tad matuojant konstantas dėmesį reikia sutelkti į dydžius, neturinčius vienetų, pvz., elektrono ir protono masių santykį.
Vienas ypatingo dėmesio santykis derina šviesos greitį (c), elektrono krūvį (e),
Planko
konstantą (h) ir vadinamąją vakuumo talpą (e0). Tai garsioji
alfa konstanta,
a = e2/2 e0 hc, vadinama smulkiosios struktūros konstanta, kurią
pirmąkart 1916 m. panaudojo Arnold Sommerfeld'as1), kvantinės mechanikos taikymo
elektromagnetizmui pionierius. Ji išreiškia reliatyvistinius (c) ir kvantinius (h)
elektromagnetinių (e) sąveikų aspektus, atsižvelgiant į įelektrintas daleles tuščioje erdvėje (e0).
Išmatuota, kad a = 1 / 137,03599976 (ir iš čia skaičius 137 gavo savo ypatingą (magišką) reikšmę fizikams).
Jei alfa reikšmė būtų kita, visos aplinkinio pasaulio savybės pasikeistų. Jei ji būtų
mažesnė, atominės materijos tankis sumažėtų, molekuliariniai ryšiai sutrūkinėtų žemesnėje
temperatūroje, o stabilių elementų skaičius periodinėje lentelėje padidėtų. Jei alfa būtų
didesnė, maži atomų branduoliai negalėtų egzistuoti, nes protonų atostūmio jėga viršytų
stipriąją branduolinę jėgą. Jei reikšmė būtų apie 0,1, negalėtų egzistuoti ir anglis.
Ypač jautrios alfa reikšmei branduolinės reakcijos žvaigždėse. Kad jos vyktų, reikia, kad
žvaigždės gravitacija galėtų palaikyti pakankamai aukštą temperatūrą, kad suspaustų
branduolius nepaisant jų atostūmio jėgos. Jei alfa reikšmė būtų apie 0,1, branduolinė reakcija
būtų neįmanoma (nebent tai kompensuotų kiti parametrai, pvz., elektrono-protono masių
santykis). Alfa pasikeitimas tik 4% taip pakeistų energijos lygius anglies atome, kad jie negalėtų susidaryti žvaigždėse.
Bandymai surasti kitimą
Antroji eksperimentinė problema, dar sunkiau sprendžiama, yra ta, kad konstantų kitimo
matavimams reikalingi ypatingo tikslumo prietaisai, išliekantys pakankamai ilgai stabilioje
būsenoje, kad galėtų užregistruoti pokyčius. Net atominiai laikrodžiai gali aptikti pasikeitimus
tik per kelias dienas ar net metus. Jei alfa kinta daugiau nei 4 * 10-15 per 3 m.,
geriausi laikrodžiai leistų pastebėti tą pokytį. Šiuo metu taip nėra. Lėti pasikeitimai Visatoje gali likti tiesiog nepastebėti.
Laimei, fizikai rado kitus būdus. 8 dešimtm. prancūzų mokslininkai pastebėjo urano rūdos
izotopų sudėties keistenybes vienoje iš urano kasyklų Gabone prie Oklo, Vakarų Afrikoje
atrodė, tarsi tai būtų branduolinio reaktoriaus atliekos. Atrodo, kad prieš 2 mlrd. metų šioje
vietoje galėjo veikti natūralus reaktorius. 1976 m. Aleksandras Šlechteris iš Peterburgo
pastebėjo, kad natūralaus reaktoriaus veikimo galimybė priklauso nuo samariaus branduolio
tam tikros būsenos, padedančios sulaikyti neutronus. Jo energija labai jautri alfa reikšmei. Jai
esant tik truputį kitokiai, grandininė reakcija būtų neįmanoma. Tačiau ji vyko, kas sudaro
prielaidą tam, kad per paskutinius 2 mlrd. metų alfa nepasikeitė labiau, nei per 10-8.
1962 m. James E. Peebles ir Robert Dicke panašų principą panaudojo tirdami meteoritus
skirtingų izotopų skilimas irgi priklauso nuo alfa. Ypač jautrus jai yra renio skilimas į osmį.
Anot K. Olive ir M. Pospelov tyrimų, susidarant uolienoms, alfa nuo dabartinės reikšmės
skyrėsi 2 * 10-6 dydžiu. Rezultatas ne tos tikslus, kaip Oklo reaktoriaus atveju,
tačiau nueina" toliau į praeitį, maždaug prieš 4, 6 mlrd. metų.
Tarptautinis astrofizikų kolektyvas Jeilio un-te pranešė aptikę kvazarą J0159+0033, kurio
rentgeno spinduliavimo
aktyvumas per paskutiniuosius kelis metus sumažėjo kelis kartus. Tai jie
Šį reiškinį Stripe 82 (dangaus srities ties pusiauju kelis kartus atliktų SDSS apžiūrų
(2000-2008) ir kitų stebėjimų duomenų bazė) duomenyse aptiko Stephanie LaMassa.
Astronomams įdomia savybe taip pat yra kvazaro emisijos linijų susilpnėjimas. Jos yra
matomos regimame spektre ir yra parašai dujų, esančių per toli, kad jas suvartotų kvazaras,
tačiau pakankamai arti, kad būtų sužadintos jo spinduliavimo. Tai irgi papildomas argumentas
tam, kad kvazaras laikosi dietos.
Bet kai kurie specialistai pastebi, kad toks elgesys gali sietis su vidine prigimtimi ir nesusijęs su
tuo, kad spinduliavimą sugeria koks nors greta esantis dujų-dulkių debesis. Vis tik spėjama, kad tai
ne vienetinis atvejis, tad šis kvazarus bus ir toliau stebimas, nes gali atskleisti naujų žinių apie Visatos ratilus.
Straipsnis apie tai bus paskelbtas Astrophysical J., o jį perskaityti galite
arxiv.org svetainėje. Ieškant pokyčių per dar didesnį laiką, reikia akis pakelti į dangų. Klausimas apie
konstantų reikšmes kilo netrukus po kvazarų atradimo 1965-ais. Jie buvo apibūdinti kaip labai
ryškūs objektai nepaprastai nutolę nuo Žemės. Tad jų šviesa būtinai turi praeiti jaunų
galaktikų dujų apvalkalus. O dujos sugeria tam tikro dažnio šviesą palikdamos pėdsaką
kvazarų spektre. Dujoms sugeriant šviesą, jų elektronai įgauna aukštesnį energetinį lygį. Tuos
lygius apibūdina, kaip stipriai branduolys gali išlaikyti elektronus, o tai priklauso nuo
elektromagnetinio lauko stiprumo, kuris savo ruožtu priklauso nuo alfa. Jei šios konstantos
reikšmė šviesos absorbavimo metu skirtųsi, tada energijos kiekis, reikalingas elektrono
orbitos pakeitimui irgi būtų kitoks tad skirtųsi ir mus pasiekusios šviesos spektras: vienos
bangų linijos sutankėtų, o kitos išretėtų. Ir svarbu, kad tai mažai priklauso nuo duomenų paklaidos.
Tačiau matavimai susidūrė su dviem apribojimais. Pirma, laboratorijose daugelio spektro
linijų nesugebėta išmatuoti reikiamu tikslumu. Juokinga, tačiau mokslininkai daugiau žinojo
apie kvazarų spektrą, nutolusių per daugelį milijardų šviesmečių nei spektro pavyzdžius
Žemėje. Kita problema, kad ankstesni stebėtojai naudojo alkali-dubletų absorbavimo linijas
absorbavimo linijų poras, atsirandančios tose pačiose dujose, pvz., anglies ar silicio. Jie
lygino tarpus tarp tų linijų kvazarų spektre su laboratoriniais matavimais. Šis metodas, vienok,
neatsižvelgė į vieną reiškinį alfa pasikeitimas ne tik paslenka spektro linijas žemų energijų
atžvilgių, bet ir patį žemų energijų pagrindo būseną. Ir šis veiksnys netgi stipresnis, nei
pirmasis. Tad pasiektas tikslumas tebuvo tik 10-4.
1999 m. J. Webb'as ir V. Flambaum'as2) panaudojo
metodą, atsižvelgiantį į abi tas problemas ir pasiekė apie 10 kartų didesnį tikslumą. Dar daugiau, jis leido palyginti skirtingų medžiagų,
pvz., geležies ir magnio, spektrus. Tai leido padaryti išvadą, kad alfa nesikeičia jau labai ilgai.
Tačiau, ištyrus 128 kvazarų absorbcijos spektrus, nustatyta, kad per laikotarpį, buvusį prieš
6-12 mlrd., alfa pasikeitė maždaug 6 * 10-6 dydžiu. Galimos paklaidą
sukeliančios priežastys (pvz., skirtingų magnio izotopų skirtumai absorbuojant šviesą ar
ankstyvos Visatos perteklinis azoto generavimas) nevisiškai tai paneigia. Kilo susidomėjimas,
ir naujų kvazarų spektro tyrimai nuo 2003 m. kituose centruose neparodė alfa pasikeitimo.
Neaišku, kodėl panašūs tyrimai leido padaryti skirtingas išvadas. J. Bahcall'as3) kritikavo patį
metodą, tačiau jo visos nustatytos problemos priklauso vienai atsitiktinių paklaidų kategorijai.
Dėsnių performulavimas
Jei visgi pasirodytų, kad alfa kinta, pasikeitimai teorijoje būtų dideli. 1982 m.
Jacob D. Bekenstein'as buvo pirmasis, pabandęs apibendrinti elektromagnetizmo dėsnius atsižvelgdamas
į konstantų kintamumą. Jo teorija alfa pakeičia vadinamuoju skaliariniu lauku, dinaminiu
gamtos elementu. Tačiau ji neapėmė gravitacijos tai buvo padaryta po 4 m. (žr. [4]). Toji
teorija leidžia daryti įdomias prielaidas. Net nežymus jos pokytis turi įtaką Visatos plėtimuisi
mat kosminiais masteliais elektromagnetizmas yra gerokai silpnesnis veiksnys nei gravitacija.
Ir jei alfa pokytis nežymiai įtakoja Visatos plėtimąsi, tai Visatos plėtimasis veikia alfa. Tą
poveikį sukelia elektrinio ir magnetinio laukų disbalansas. Visatos pradžioje spinduliavimas
dominavo prieš įelektrintas daleles ir elektrinį bei magnetinį laukus paikė pusiausvyroje.
Vėliau kosmoso pagrindiniu veikėju tapo materija. Elektrinė ir magnetinė energijos tampa
netapačios ir alfa ima labai lėtai didėti kaip logaritmas nuo laiko. Prieš 6 mlrd. m. tamsioji energija
pradėjo greitinti plėtimąsi, sudarydama sunkumus visiems fizikiniams poveikiams persiduoti erdvėje. Tad alfa vėl tapo beveik konstanta.
Tokia eiga atitinka stebėjimus kvazarų spektro linijos pateikia materijos dominavimo
periodą, kai alfa didėjo. Laboratoriniai ir Oklo rezultatai atitinka tamsiosios energijos dominavimo laikotarpį,
kai alfa buvo pastovi. Tad meteoritų radioaktyvių elementų tyrimai labai įdomūs, nes jie parodo perėjimą tarp tų dviejų periodų.
Alfa tėra pradžia
Bet kuri dėmesio verta teorija nebūtinai patvirtinama stebėjimais - ji gali kelti ir naujus
spėjimus. Aprašyta teorija nusako, kad esant smulkiosios struktūros konstantos variacijoms,
objektai krenta skirtingai. Galilėjus spėjo, kad kūnai vakuume krenta vienodu greičiu
nepriklausomai iš ko jie padaryti. Tai pademonstravo Apollo 15" astronautas Davis Scott,
išmetęs plunksną ir plaktuką, kurie Mėnulio paviršių pasiekė vienu metu. Tačiau alfa kintant,
tas principas neišlieka. Pokytis sukuria jėgą visose įelektrintose dalelėse. Kuo daugiau
protonų atomas turi branduolyje, tuo stipriau jis jaučia tą jėgą. Jei kvazarų stebėjimo
duomenys yra teisingi, tada skirtingų medžiagų greitėjimas skiriasi maždaug 10-14 - per mažai, kad pastebėtume laboratorijoje,
tačiau pakankamai, kad pasimatytų tokiose misijose kaip STEP (Space-based Test of the Equivalence Principle).
Ankstesni alfa tyrinėjimai neatsižvelgė į vieną prielaidą Visatos granulinę struktūrą. kaip
visos galaktikos, mūsų Paukščių takas yra apie milijoną kartų tankesnis nei vidurkis, ir jis nesiplečia kartu su Visata.
2003 m. J. Barrow ir D. Mota paskaičiavo, kad alfa gali elgtis
skirtingai galaktikose nei tuščiose Visatos srityse. Kai susikondensuoja ir pusiausvyros
būseną pasiekia jauna galaktika, alfa beveik liaujasi kisti jos viduje, tačiau tebekinta jos
išorėje. Tad eksperimentai Žemėje, parodantys alfa pastovumą, yra tendencingi. Šį efektą
reikia ištirti atidžiau, kad nustatytume, kiek jis gali paveikti silpnojo ekvivalencijos principo
eksperimentus. Iki šiol nepastebėta erdvinių alfa variacijų. Remdamasis kosmoso fono
mikrobanginio spinduliavimo vienalytiškumu, J. Barrow parodė, kad alfa nekinta labiau nei
10-8 tarp sričių, danguje nutolusių per 10o.
Reikia sulaukti naujų duomenų ir tyrimų, patvirtinančių ar paneigiančių alfa kitimo lygį.
Reikia atminti, kad keičiantis alfa, turi kisti ir kitos kosmogoninės konstantos. O jos plačiai
naudojamos fizikos lygtyse. Jų konstantiškumo" nustatymas leistų geriau suprasti ir
alternatyvių (lygiagrečių ar daugybinių) visatų egzistavimą. Mūsų visata gali pasirodyti esanti
viena iš izoliuotų oazių, kurias skiria beribė negyvenama erdvė, kurioje veikia visai kitokios gamtos jėgos. Galimas kosmologinės konstantos nepastovumas
Jau keli milijardai kažkokios paslaptingos jėgos (dabar dažnai jos įvardijamos tamsiąja energija)
viską Visatoje stumia vis greitėjančiu tempu. Paprasčiausiu paaiškinimu visad buvo kosmologinė konstanta pastovi, nekintanti
energija, glūdinti pačios materijos audinyje. Ji visad laikyta pastovia. t.y. fundamentaliu skaičiumi kosminėse lygtyse. Tačiau kas, jei mūsų Visata labiau šelmiška? Kai kurių tyrėjų galvose gimsta nauja
klastinga idėja: o kas, jei ta konstanta visai nepastovi? Naujas Mariam Bouhmadi-Lopezo4) tyrimas
(paskelbtas 2026 m. vasarį) rodo, kad Visata nebūtinai visą laiką turi plėstis vis labiau retėdama kažkada gali prasidėti
Didysis susispaudimas. Jame pateikiama nauja koncepcija, kad kosmologinė konstanta keičia ženklą ten, kur vakuumo energijos tankis
gali pereiti iš neigiamos (ankstyvojoje Visatoje) į teigiamą (dabar). Šis pasiūlymas gali pašalinti kai kurias
įsisenėjusias problemas, pvz., vadinamąją Hablo įtampą.
Bet kaip tai veiktų?! Įsivaizduokime lauką, panašų į mums pažįstamą elektromagnetinį lauką, bet tokį, kuris
persmelkia visą erdvėlaikį ir neša energiją, kuri veikia kaip mūsų kosmologinė konstanta. Šiuose dinaminiuose
tamsiosios energijos modeliuose šis laukas turi efektyvų potencialą, panašų į kalvą, kurios šlaitu rieda rutuliukas.
Ankstyvojoje visatoje tasai rutuliukas gulėjo įdubime, atitinkančiame neigiamą kosmologinę konstantą. Įsivaizduokite
tai kaip trumpą, intensyvų laikotarpį, kai gravitacija, užuot traukusi daiktus, beveik stūmė pati save, tačiau
taip, kad galiausiai lėmė susitraukimą arba kitokią evoliuciją. Tada, tam tikru kritiniu kosminės istorijos
momentu, šis laukas pasikeitė, sukuldamas naują įdubimą, kuris suteikė mums teigiamą kosmologinę konstantą, kurią matome šiandien.
Bet kaip patikrinti tokią drąsią idėją?! Pirmiausia, išplečiamas standartinis
LCDM modelis, Visatą apibūdinantis kaip plokščią su kosmologine konstanta, šalta tamsiąja
materija ir įprasta materija. Tačiau niuansas tame, kad pridedamas dar ir skaliarinis laukas, kuris veikia
tarsi koks slaptas poveikio matmuo. Jo energijos potencialas diktuoja, kada ir kaip kosmologinė konstanta keičia savo ženklą.
Taigi, šie kosminiai modeliai apibrėžiami pagrindiniais skaičiais: laikas, kada įvyko
didelis (ženklo) apsivertimas, pradinė tos konstantos vertė ankstyvojoje visatoje ir kaip staigiai kinta jos
energijos potencialas. Koreguodami šiuos parametrus, tyrėjai lygina modelio prognozes tokiems dalykams kaip
Hablo parametras (kuris yra tiesiog išgalvotas Visatos plėtimosi greičio bet kuriuo metu pavadinimas) ir kaip pati
tamsioji energija elgiasi laikui bėgant, su tuo, ką iš tikrųjų mato mūsų teleskopai. Jie taip pat nagrinėja
kosmografinius parametrus, kurie iš esmės yra nepriklausomi Visatos plėtimosi istorijos matavimai, kuriems
nerūpi, kodėl ji plečiasi taip, kaip plečiasi.
Jei ši ženklą keičianti kosmologinė konstanta yra reali, ji nebūtų tik abstraktus matematinis keistenybė. Ji
paliktų savo pėdsakus visame kosmose, ypač galaktikų ir milžiniškų galaktikų spiečių formavimosi ir vystymosi
procesuose. Pagalvokite: juk kitokio pobūdžio trauka ir stūma ankstyvojoje visatoje tiesiogiai paveikė kosminės
struktūros užuomazgas. Keista, bet šie modeliai puikiai dera su tuo, ką stebime dabar, net ir su radikaliu
vakuumo energijos tankio, kuris keičiasi iš neigiamo į teigiamą, pasiūlymu. Jie siūlo įtikimą alternatyvą,
kuri iš karto nesugriūva susidūrusi su mūsų tiksliausiais kosminiais matavimais.
Vis tik, tiesą sakant, priversti matematiką veikti sklandžiai,
nereikalaujant rimto skaičių pritaikymo (arba,kaip sako fizikai, parametrų tikslinimo), visada yra sunkus klausimas. Be to, kaip tiksliai
šis skaliarinis laukas priverčia kosmologinę konstantą keisti savo vertę ir kaip jis sąveikauja su visomis kitomis dalelėmis
ir jėgomis na, tai dar reikia įdėti labai daug darbo.
Nepaisant šių techninių sudėtingumų, ženklą keičiančios kosmologinės konstantos elegantiškumas yra gana patrauklus.
Ji ne tik siūlo kitą būdą visatos apibūdinimui; ji siūlo geresnį būdą, potencialiai pašalinančią kai kuriuos
neatitikimus, pvz., Hablo įtampą ir net kosminės atitikties (kad dabar stebimi energijos tankiai, siejami su
materija ir tamsiąja materija, yra tokio pat laipsnio) problemą. Ir tai parodytų, kad mūsų Visata yra daug
dinamiškesnė ir stebinanti, nei drįsome anksčiau įsivaizduoti. Parengė Cpt.Astera's Advisor 1) Arnoldas Somerfeldas (Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld, 1868-1951) vokiečių matematikas ir fizikas, vienas branduolinės ir kvantinės fizikos kūrėjų. Jis apibendrino Boro teoriją elipsinių orbitų atvejui ir paaiškino vandenilio spektrų struktūrą, nustatė keletą spektroskopinių dėsningumų, išvystė pusiauklasikinę metalų teoriją, užsiėmė klasikinės elektrodinamikos, hidrodinamikos, specialiosios reliatyvumo teorijos, matematinės fizikos klausimais. Įkūrė Miuncheno teorinės fizikos mokyklą, parašė keletą šios srities vadovėlių. 2) Viktoras Flambaumas (g. 1951 m.) rusų fizikas iš Novosibirsko, nuo 1991 m. Pietų Velso universiteto (Australijoje) profesorius. Skelbėsi įvairiose fizikos srityse branduolinės fizikos, elementariųjų dalelių, kosmologijos, kieto kūno ir statistinėje fizikoje. Yra pasiekęs svarbių rezultatų fundamentaliųjų simetrijų pažeidimo srityje. Neseniai tapo žinomas už laike kintančių fundamentaliųjų konstantų tyrimus ir naujų eksperimentinių metodų galimai protono ir elektrono masių santykio priklausomybei laike pasiūlymu. 3) Džonas Bakalas (John Norris Bahcall, 1934-2005) žydų iš Rusijos kilmės amerikiečių astrofizikas, Prinstono Pažangių tyrimų inst-to vadovas, žinomas indėliu tiriant Saulės neutrininį spinduliavimą. Bendradarbiavo su R. Davis atliekant Homestake eksperimentą; R. Davis pastačius detektorių Pietų ir atradus neutrinus, jų srautas buvo 1/3 kaip numatė Dž. Bakalas. E. Hablo teleskopo vystymą. Galaktikos su supermasyvia juodąja skyle modelis vadinamas Bakalo-Volfo vardu, o Bakalo-Soneiros modelis daugelį metų buvo pagrindiniu Paukščių tako modeliu. Buvo Amerikos astronomų draugijos prezidentu (1990-92). Jo garbei pavadintas asteroidas 113949. 4) Mariama Buchmadi-Lopez (Mariam Bouhmadi-Lopez, g. 1976 m.) - marokiečių ir ispanų fizikė teoretikė, Baskų un-to (Ikerbasque, Bilbao) profesorė, specializuojanti kosmologijos ir gravitacijos srityse, dėmesį skiriant tamsiajai energijai, kosmologiniams singuliarumams, spartėjančiam Visatos plėtimuisi, gravitacijos teorijoms (pvz., Eddingtono įkvėptai Born-Infeld gravitacijai ir f(Q) kosmologijai) ir kvantinei gravitacijai. Paskelbė per 200 mokslinių straipsnių. Papildoma literatūra:
Papildomai skaitykite:
|
sieja su energijos, krentančios į jo 
