Исследования ученых из Германии и Великобритании показали, что отношение масс протона и электрона не изменяется со временем. Точность эксперимента была достаточной, чтобы заметить изменение более одной миллионной за 5 млрд лет.
Свойства нашего мира определяются значениями фундаментальных физических постоянных (констант), входящих в различные физические законы. К ним относятся постоянная тонкой структуры, постоянная Планка, скорость света, элементарный заряд и т.д.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Схема экспериментальной установки для измерения переходов E2 и E3, определяющих тактовые частоты иона иттербия (171 Yb+).
Один из важнейших вопросов в исследовании эволюции Вселенной – вопрос о том, изменяются ли значения фундаментальных констант с течением времени. Доказательство того, что константы изменяются во времени и пространстве, будет означать, что законы физики неодинаковы для разных частей Вселенной или временных интервалов ее развития.
Этот вопрос естественным образом возник после открытия в 20-е годы ХХ века расширения Вселенной. Его можно сформулировать более широко: а могут ли существовать физические константы в динамически развивающейся вселенной? Целый ряд космологических теорий и теорий объединения гравитации с остальными фундаментальными взаимодействиями предсказывают, что, по крайней мере, некоторые фундаментальные константы могут изменяться в расширяющейся Вселенной. Поэтому обнаружение таких изменений дало бы важную информацию о структуре и развитии Вселенной. Эти исследования важны и для метрологии, которая разрабатывает систему единиц, основанную на фундаментальных константах.
В настоящее время нет надежных экспериментальных или наблюдательных данных, свидетельствующих о таких изменениях. Однако все они имеют вполне определенную точность. Кроме того, некоторые астрофизические и геофизические наблюдения последних десятилетий дали несколько противоречивые результаты. Так что исследования изменчивости фундаментальных констант по-прежнему актуальны.
В последние годы лабораторные эксперименты с атомными часами достигли такой точности, что уже могли внести свой вклад в ответ на этот вопрос, при наблюдениях в течение всего лишь нескольких лет. Суть дела в том что, если определенные фундаментальные константы изменяются, то показания атомных часов, основанных на разных химических элементах, по истечении долгого времени будут отклоняться от друга предсказуемым образом.
Этот метод использовали две независимые исследовательские группы – одна из Национальной физической лаборатории (NPL), Великобритания, другая из национального метрологического института Германии (PTB) – для проверки постоянства важной физической величины – отношения масс протона и электрона – путем сравнения показаний оптических часов с захваченным ионом иттербия и атомных часов на основе цезия. В настоящее время это одни из наиболее точных часов.
Масса электрона определяет частоту оптических атомных часов, а масса протонов влияет на частоту цезиевых часов через свойства атомного ядра. Изменение фундаментальных физических констант, например, постоянной тонкой структуры, приведет к изменению электромагнитного взаимодействия, в котором участвуют обе частицы, и сильного взаимодействия, в котором участвует протон. Это скажется и на массах частиц.
Для получения результата физики проводили эксперимент в течение 7 лет. В итоге был сделан вывод, что отношение масс протона с электрона не имеет никаких заметных изменений с относительной погрешностью в несколько единиц 10
-16. Это означает, что если изменение данного отношения все же есть, то оно происходит менее, чем на миллионную долю за время существования Солнечной системы (около 5 млрд. лет). Результаты исследований были опубликованы в журнале
Physical Review Letters (1, 2).
Эти работы также закладывают основу для использования иттербия (171Yb) в качестве оптического стандарта частоты, который потенциально мог бы заменить существующий цезиевый стандарт частоты.
Подпись к схеме: Схема экспериментальной установки для измерения переходов E2 и E3, определяющих тактовые частоты иона иттербия (171 Yb+). Отношение E3/E3 определялось путем стабилизации одного лазера на E3 переходе, а другого лазера на E2 переходе и измерения отношения между частотами лазеров (по техническим причинам использовались инфракрасные лазеры, которые должны были иметь удвоенную частоту, чтобы возбудить оптические переходы E2 и E3).
