Тайна скорости света

Пару миллиардов лет назад скорость света была меньше, чем сейчас. По космическим меркам — вчера. Об этом говорят новые вычисления учёных. Если они подтвердятся, теория Эйнштейна будет торпедирована, а большая часть "здания физики" потребует серьёзной переделки. Физики Стив Ламоро (Steve Lamoreaux) и Джастин Торгерсон (Justin Torgerson) из американской национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Lab) опубликовали результаты исследования, являющегося весомым доводом в пользу предположения о непостоянстве скорости света.

О том, что эта скорость теоретически может быть непостоянной — физики размышляли давно. Однако до сих пор надёжных доказательств такой "крамолы" найдено не было.

Подчеркнём, речь идёт не о каких-то чудесных скачках скорости света прямо сейчас и даже не об опытах по так называемому торможению света при передаче сигнала в хитроумных установках, а об изменении самой что ни на есть мировой константы — скорости света в вакууме, причём — на протяжении всего развития Вселенной.

Выявить это физики пытаются с помощью вычислений величины альфы — так называемой постоянной тонкой структуры. Она равна примерно 0,00729735.

Альфа обратно пропорциональна скорости света, а также зависит от заряда электрона и постоянной Планка. Но две последние величины рассматриваются физиками как надёжные константы (хотя, строго говоря, это допущение).

Таким образом, колебания в космологических масштабах этой самой альфы должны указать на колебания скорости света.

Первый вызов альфе прозвучал ещё в 1998 году. Виктор Флэмбаум (Victor Flambaum) из австралийского университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales) измерял прохождение излучения от далёких квазаров через межзвёздные газовые облака. Тогда, вроде бы, были получены признаки, что альфа 12 миллиардов лет назад была существенно меньше.

Итак, вполне возможно, что альфа — читай скорость света — меняется всё время — только очень плавно. По некоторым теориям изменение это может носить и волнообразный характер с гигантскими космологическими периодами повышения и понижения оной скорости. Но позже вывод австралийца подвергли сомнению. В частности, наблюдения за ядерными реакциями говорят о постоянстве альфы с точностью до какого-то там внушительного знака после запятой.

Тут ключевой момент всей истории — мировая константа альфа влияет, среди прочего, на распределение различных изотопов в ядерных превращениях. Итак, вроде бы, скорость света устояла — но, тут мы пришли к последним событиям, новое свидетельство пришло не из далёких галактик, а из-под наших ног.

В Габоне (западная Африка) существует единственный в мире естественный ядерный реактор, названный по ближайшему местечку — Oklo, который случайно образовался два миллиарда лет назад в концентрированных (по природным меркам, конечно) урановых рудах глубоко под землёй (содержащих ещё и уголь), куда проникли грунтовые воды.

Реактор неспешно так "горел" сотни тысяч лет, нагревая породы, выделяя радиацию и вырабатывая кучу изотопов, но сейчас уже давно "остановлен".

Заметим, Oklo, содержащий много урана-238, нарабатывал плутоний, который распадаясь порождал уран-235, но ещё и самарий, скандий, технеций, рубидий, палладий… Было тут, что посчитать физикам.

Анализ "продукции" этого реактора проводили и ранее. Но учёные из Лос-Аламоса усомнились в корректности прошлых вычислений и решили ещё раз перелопатить старые цифры. Более детально и дотошно. Сенсационный результат удивил даже самих "сыщиков" — оказалось, что с той поры, когда работал этот реактор, и до нашего времени альфа немного уменьшилась (в восьмом знаке после запятой), а скорость света, соответственно, возросла.

Тут нужно добавить, что точность определения (вычисления) альфы в настоящее время крутится где-то в районе 15-го знака или даже дальше. И по этим меркам изменение, обнаруженное американцами — огромно.

Первые отклики, что важно — как от сторонников постоянной скорости света, так и от сторонников её колебаний на огромных отрезках времени, звучат примерно одинаково: "Никаких ошибок в расчётах Ламоро найти пока не удаётся, но для столь революционного пересмотра физики нужны ещё многочисленные проверки".

Между тем некоторые физики приняли бы разжалование альфы из констант с радостью. Например, если бы альфа была существенно меньше, а скорость света — больше, на заре Вселенной, это решило бы "проблему горизонта". Космологи изо всех сил пытаются объяснить, почему обширные области Вселенной показывают приблизительно один и тот же температурный фон.

Это подразумевает, что данные области находились когда-то достаточно близко, чтобы обменяться энергией и уравнять температуру Существующие модели ранней Вселенной противоречат этому. А более высокая скорость света позволила бы энергии вовремя пройти между этими областями.

Переменная альфа также повышает шансы на признание теории струн, дополнительные пространственные измерения и прочие умозрительные материи, представляющие сегодня передний край физики и, которые, вероятно, потребуют от человечества пересмотра многих устоявшихся представлений.

Удивительно, что такие грандиозные перспективы открываются всего лишь после скучного и занудного (для посторонних) анализа соотношения изотопов в Oklo и уточнения только одной-двух цифр на каком-то там месте после запятой в скромном таком числе — с простым названием — альфа.

Сегодня природных ядерных реакторов не существует, но в 1972-м году научный мир взбудоражило сообщение об открытии их остатков на урановом месторождении Окло (Oklo), расположенном на юго- востоке Габона. и, затем, на другом урановом месторождении Бангомбе (Bangombe), находящемся в 35-ти километрах к юго -востоку от Окло. Сейчас известны 17 древних реакторов. Внешне это обычный рудник .

Разве что на фотографии остатки окиси урана видны как желтоватые горные породы. Но в 1972 году при рядовых измерениях физических параметров партии природного урана поступившего на обогатительную фабрику французского города Пьерлате из Габона, французский химик-аналитик Бугзиг обратил внимание на необычное соотношение изотопов урана-235 и урана-238. Обычно оно составляет 0,007202 с точностью 0,00006. Во всех урановых минералах, во всех горных породах и природных водах Земли, а также в лунных образцах это соотношение выполняется. Месторождение в Окло пока единственный, зарегистрированный в природе случай, когда это постоянство было нарушено. В случае Бугзига соотношение составило 0,00717.

Были выдвинуты несколько гипотез относительно странного соотношения изотопов урана в руде- от загрязнения месторождения отработанным топливом с инопланетных космических кораблей или существование в этом месте захоронений радиоактивных отходов древней цивилизации до хищений урана. Однако более детальные исследования показали, что необычная урановая руда образовалась естественным путем.

Расчёты показали, что если массовая доля грунтовых вод в пласте составляет около 6% и если природный уран обогащён до 3% U-235, то при этих условиях может начать работать природный ядерный реактор. Поскольку рудник находится в тропической зоне и довольно близко к поверхности, - существование достаточного количества грунтовых вод весьма вероятно. Соотношение изотопов урана в руде было не обычным. U-235 и U-238 - радиоактивные изотопы с различными периодами полураспада. U-235 имеет период полураспада 700 млн. лет, а U-238 распадается с периодом полураспада в 4,5 млрд. Изотопное содержание U-235 находится в природе в процессе медленного изменения. Например, 400 млн. лет назад в природном уране должен был быть 1% U-235, 1900 млн. лет назад его было 3%, т.е. необходимое количество для "критичности" жилы урановой руды. Считается, что именно тогда реактор Окло находился в состоянии работы.

Как же природе удалось создать условия для цепной ядерной реакции? Сначала в дельте древней реки образовался богатый урановый рудой слой песчаника, который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения обычного в то буйное время базальтовый фундамент будущего реактора опустился на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась, в трещины проникла грунтовая вода. Затем очередной катаклизм поднял всю "установку" до современного уровня.

В ядерных топках АЭС топливо располагается компактными массами внутри замедлителя. Так получилось и в Окло. Замедлителем служила вода. В руде появились глинистые "линзы", где концентрация природного урана от обычных 0,5% повысилась до 40%. Как образовались эти компактные глыбы урана, точно не установлено.

Возможно их создали фильтрационные воды, которые уносили глину и комкали уран в единую массу. Когда только масса и толщина слоёв, обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и установка начала работать. В результате работы реактора образовалось около 6 тонн продуктов деления и 2,5 тонны плутония. Большинство радиоактивных отходов осталось внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло. Элементы, которые не смогли проникнуть сквозь решётку уранита из-за слишком большого или слишком маленького ионного радиуса, диффундируют или выщелачиваются.

В течении 1900 млн. лет, прошедших со времён работы реакторов в Окло, по крайней мере половина из более чем тридцати продуктов деления оказались связанные в руде, несмотря на обилие грунтовых вод в этом месторождении. Связанные продукты деления включают в себя элементы: La, Ce, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Y, Zr, Ru, Rh, Pd, Ni, Ag. Была обнаружена некоторая частичная миграция Pb, а миграция Pu была ограничена расстоянием меньше 10 метров. Только металлы с валентностью 1 или 2, т.е. те, которые обладают высокой растворимостью в воде, были унесены. Как и предполагалось, на месте почти не осталось Pb, Cs, Ba и Cd. Изотопы этих элементов имеют относительно короткие периоды полураспада десятки лет или меньше, так что они распадаются до нерадиоактивного состояния прежде, чем смогут далеко мигрировать в почве.

Наибольший интерес с точки зрения долговременных проблем защиты окружающей среды представляют вопросы миграции плутония. Этот нуклид эффективно связан на срок почти 2 млн. лет. Так как плутоний к настоящему времени почти полностью распадается до U-235, то о его стабильности свидетельствует отсутствие избытка U-235 не только снаружи реакторной зоны, но также вне зёрен уранита, где образовывался плутоний во время работы реактора.

Существовал этот уникум природы около 600 тысяч лет и выработал примерно 13000000 кВт. час энергии. Его средняя мощность всего 25 кВт: в 200 раз меньше, чем у первой в мире АЭС, пущенной в Обнинске в 1954 году.

Если проследить всю цепочку распадов в теории (Например, торий от распада U-236 и висмут от распада U-237, которые были обнаружены только в реакторных зонах в месторождении Окло ) и сравнить с фактическим изотопным составом этих элементов - можно выявить неравномерность временной шкалы. Что и было сделано.

Анализ "продуктов распада " реакторов в Окло проводился и ранее. но физики Стив Ламоро (Steve Lamoreaux) и Джастин Торгерсон (Justin Torgerson) из американской национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Lab) усомнились в корректности прошлых вычислений и решили ещё раз перелопатить старые цифры. Более детально и дотошно. Главной темой исследования стала постоянная тонкой структуры влияющая, среди прочего, и на распределение различных изотопов в ядерных превращениях.

Постоянная тонкой структуры - альфа - определяется как a = e2/hc ~ 1/137,03599958 где e - заряд электрона, h - постоянная Планка и с - скорость света. Она является фундаментальным числом, определяющим силу электромагнитных взаимодействий. Как следует из названия, постоянная тонкой структуры описывает расщепление атомных уровней на несколько близких подуровней (мультиплеты) за счет эффектов специальной теории относительности. Величина этого расщепления пропорциональна квадрату a.

Так как заряд электрона и постоянная Планка рассматриваются физиками как надёжные константы (хотя, строго говоря, это произвольное допущение) то, колебания в космологических масштабах постоянной тонкой структуры должны указывать на колебания скорости света. Сенсационный результат удивил даже самих "сыщиков" — оказалось, что с той поры, когда работал этот реактор, и до нашего времени постоянная тонкой структуры немного уменьшилась (в восьмом знаке после запятой), а скорость света, соответственно, возросла. Тут нужно добавить, что точность определения (вычисления) постоянной тонкой структуры в настоящее время крутится где-то в районе 15-го знака или даже дальше. И по этим меркам изменение, обнаруженное американцами — огромно.

Еще в 1955 году, российский физик Лев Ландау рассмотрел возможность зависимости постоянной тонкой структуры от времени. Эксперименты взаимодействия элементарных частиц при их столкновении показали рост константы , до ~ 1/128 с увеличением энергии столкновения. Что, возможно, связано с изменением мерности пространства микромира ( 5, 7 и более ), где открываются свернутые в нашем 3-мерном пространстве измерения.

Но для макромира первый вызов постоянности постоянной тонкой структуры прозвучал в 1998 году. когда группа астрономов из австралийского университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales) измерил прохождение излучения от далёких квазаров через межзвёздные газовые облака и получил признаки того , что в прошлом постоянная тонкой структуры отличается от сегодняшнего значения .( Последняя статья в Phys.Rev.Lett. 87 (2001)J.K Webb, M.T. Murphy, V. V. Flambaum, V. A. Dzuba, J. D. Barrow, C. W. Churchill, J. X. Prochaska, and A. M. Wolfe, 091301 (она имеется также в astro-ph/0012539), где утверждается, что постоянная тонкой структуры в прошлом была немного меньше: d(a)/ alpha = -0.72+-0.18 10 -5 для красных смещений в диапазоне 0.5 < z < 3.5.)

Совсем простое объяснение метода -Если свет от пламени пропустить через призму и поставить за ней лист бумаги, то мы увидим радугу. Если в пламя сыпать, например, соль, то к обычным цветам радуги добавятся желтоватые - так называемые эмиссионные линии. Помещая между пламенем и призмой колбу с газом, можно на этой "радуге" увидеть темные линии поглощения. Длины волн этих эмиссионных и поглотительных линий непосредственно связаны с энергетическими уровнями атомов в соли или в газе. Спектроскопия таким образом позволяет дистанционно изучать строение атомов.

C точки зрения спектроскопии тонкая атомная структура может дистанционно наблюдаться как мультиплетное расщепление энергетических уровней и спектральных линий атомов и молекул, обусловленное спин-орбитальным взаимодействием. Таким образом, если бы постоянной тонкой структуры -"альфа" действительно менялась, то "доисторические" эмиссионные и поглотительные спектры тоже бы изменились. Поэтому один из способов отслеживания любых изменений в значениях "альфы" в истории Вселенной состоит в том, чтобы получать спектры отдаленных квазаров ("маяков" необыкновенной мощности), и сравнивать длины волны некоторых характерных спектральных линий с соответствующими современными значениями. Квазары здесь используются только в качестве универсальных источников света в наиболее отдаленной части Вселенной.

Межзвездные газовые облака в галактиках, расположенных между квазарами и нами на расстояниях от 6 до 11 миллиардов световых лет, поглощают часть света, испускаемого этими квазарами. В полученных спектрах таким образом возникают темные "точки минимума", которые могут быть приписаны известным элементам. Изменение постоянной тонкой структуры должно отразиться на распределении энергетических уровней в атомах, и длины волн поглотительных линий при этом тоже будут меняться. Сравнивая расстояния между точками "минимумов" с лабораторными значениями, можно вычислить "альфу" как функцию расстояния соответствующих объектов от нас, то есть как функцию возраста Вселенной.

Система линий каждого облака из-за расширения вселенной имеет свое красное смещение, z, меньшее чем z квазара, наблюдаемого сквозь облако, но все-же соответствующее космологическим расстояниям и временам, т.е. ранней вселенной. Измеряя сразу несколько линий поглощения одного облака, можно определить и значение постоянной тонкой структуры в те времена.

Группа астрономов во главе с Патриком Петитжином (Patrick Petitjean) из Астрофизического института Парижа (Institut d'Astrophysique de Paris) и Парижской обсерватории (Observatoire de Paris) во Франции и Раганатаном Срианандом (Raghunathan Srianand, IUCAA Pune, Индия) очень тщательно изучила гомогенную выборку 50 поглотительных систем, наблюдавшихся с помощью UVES (Спектрограф ультрафиолетового и видимого диапазона Эшеля (Ultra-violet and Visible Echelle Spectrograph) и Kueyen Kueyen ESO в обсерватории Paranal (Чили) по 18 отдаленным линиям визирования квазаров. Работа называлась "Исследование космологических вариаций постоянной тонкой структуры". Они делали запись спектров квазаров в течение 34 ночей, чтобы достичь наибольшего спектрального разрешения и лучшего соотношения сигнал-шум. Затем были применены некоторые автоматические процедуры и компьютерное моделирование, специально разработанные для этого проекта, чтобы выявить возможную вариацию "альфы".

В результате этого обширного изучения было установлено, что за последние 10 миллиардов лет относительные вариации "альфы" не могут превышать одной миллионной (точнее, 6x10-7. Это самое строгое ограничение на вариации "альфы" на настоящий момент из полученных путем изучения линий поглощения квазара.

Майкл Мерфи (Michael Murphy), астроном из британского Кембриджского университета, входивший в группу, которая с помощью гавайского телескопа Keck нашла изменения в значении постоянной тонкой структуры, с доверием отнесся к новым результатам: "Данные VLT имеют более высокое качество", - говорит он. Результат Keck базировался на большем количестве облаков - 143, - однако отдельные наблюдения проводились не столь длительное время, и квазары были в среднем более слабыми, что делало спектральные линии вдвое менее ясными по сравнению с новыми измерениями на VLT.

Ввиду большой общетеоретической значимости утверждения о переменности фундаментальных констант, полученный результат нуждается в дальнейшей тщательной проверке.