Фундаментальные константы

Еще одно очень интересное развлечение — спрашивать себя, что бы произошло, если бы я мог как-то изменить природу, изменить физический закон?

Ричард Фейнман

Степень обязательности бывает разная. Например, в законе Кулона буковка ε могла стоять не в знаменателе, а в числителе, где в одном аналогичном законе стоит буковка μ. А вот стоять вместо произведения зарядов сумма не могла бы. И легко понять почему. Когда я говорю это студентам и школьникам, первые участливо переглядываютcя, а вторые пугаются. Поначалу.

Если вы откроете любой приличный справочник по физике, то обязательно обнаружите там список так называемых фундаментальных констант. Немного реже используется термин «мировые константы» и втрое реже — «фундаментальные постоянные» и «мировые постоянные». Это массы электрона, протона и нейтрона, постоянные Больцмана, Планка и гравитационная, скорость света, постоянная тонкой структуры и т. д. Они входят во многие физические формулы, и поэтому хочется знать их с высокой точностью. Казалось бы — в чем проблема? Если есть эталоны и приборы, так или иначе позволяющие сравнить эталон и искомую величину, — то мы достигаем точности, равной точности прибора, ибо эталон считается точным по определению. Если же мы по каким-то причинам считаем точность эталона не абсолютной — например, при сравнении идентичных эталонов обнаружены расхождения (как у эталонных килограммовых гирь), то соответственно уменьшается и точность определения искомой величины. Но что делать, если разные эксперименты дают чуть-чуть разные результаты? Причем для каких-то применений эти различия вообще не существенны, а для каких-то других они могут быть критически важны.

Существует специальная международная и междисциплинарная организация CODATA (Committee on Data for Science and Technology), которая занимается сбором, критической оценкой, хранением и поиском важных данных для задач науки и техники. В том числе как раз и данных о фундаментальных константах, обо всех экспериментах и исследованиях, в которых получены результаты, которые могут послужить благородному делу уточнения. А потом ученые мужи собираются и, долго и тщательно проанализировав данные, выдают раз в четыре года свои просвещенные рекомендации. С увлекательной историей уточнения значений фундаментальных констант и процедурой согласования значений, полученных в разных экспериментах, можно ознакомиться в статье С.Г.Каршенбойма в журнале «Успехи физических наук» (2013, 183, 9, 935—962).

Некоторое представление о том, как это происходит, дают две картинки из этой статьи. На первой показано сопоставление данных разных исследований, в которых определялась постоянная тонкой структуры, слева — в 2006 году, справа — в 2010-м. Серая полоса — рекомендованные значения, отметкой CODATA показана более ранняя рекомендация, остальное — данные различных исследований, принятые во внимание при выработке рекомендаций.

На следующей картинке показано, как с годами изменялась оценка погрешности определения различных констант от года к году (на графиках — стандартные обозначения). Оценка может и возрастать, если позже окажется, что более раннее мнение было излишне оптимистичным.

За фундаментальными константами числится еще кое-что. Показано, что небольшие изменения значений некоторых из них радикально изменяют свойства наблюдаемой Вселенной. Например, весьма незначительное уменьшение разности масс протона и нейтрона или увеличение массы электрона в корне меняют возможность существования некоторых атомов и процессы, протекающие в звездах, в результате — исключают возможность существования жизни (по крайней мере, в сегодняшнем ее понимании). Поэтому хотя современная физика рассматривает вопрос о постоянстве констант, из самой возможности вроде бы сверхточного их определения еще не следует, как это ни парадоксально, возможность определения их постоянства. Потому что современная физика интересуется «непостоянствами» много меньшими, чем погрешности определения. Ограничения на скорость дрейфа опираются не на измерения, а на косвенные следствия. Как правило, это протекание в течение астрономических времен каких-либо процессов, опять же чувствительных к значениям констант — атомных и космологических процессов, в частности функционирования естественного атомного реактора, известного как «реактор Окло» («Химия и жизнь», 2014, 3, 8). В литературе упоминается возможность быстрого изменения фундаментальных констант в первые микросекунды после Большого взрыва, но мы пока об этом ничего не знаем.

Кажется, что говорить об исследовании изменения фундаментальных констант невозможно, если на них построены сами эталоны (а дело понемногу идет к этому). Это не так, ибо если от значения констант зависят те или иные процессы во Вселенной, то факт наличия этих процессов накладывает ограничения на значения констант, причем эти ограничения не зависят от построения системы эталонов.