Семь экспериментов, которые изменят мир
Шрифт:
Тем не менее, если бы изменения этой фундаментальной константы действительно происходили, мы бы этого не заметили. В настоящее время мы находимся внутри искусственной системы, где подобные изменения не только невозможны по определению, но и не могут быть обнаружены на практике из-за способа, которым определяются единицы измерения. Любое изменение в численном значении скорости света в вакууме изменило бы и единицы измерения таким образом, что эта скорость, выраженная в км/с, осталась бы прежней.
ВОЗРАСТАНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА
Постоянная Планка (h) является фундаментальной константой квантовой физики и связывает частоту излучения с квантом энергии (Е) в соответствии с формулой E-h. Она имеет размерность действия (то есть произведения энергии на время).
Нам твердят, что квантовая теория — образец блестящего успеха и удивительной
260
Барроу, Дж. Д. Мир внутри мира (Barrow, J.D. The World Within the World. Oxford: Oxford University Press, 1988).
Подобные утверждения я слышал и читал так часто, что привык считать, будто численное значение постоянной Планка должно быть известно с точностью до самого дальнего знака после запятой. Кажется, что так оно есть: стоит лишь заглянуть в какой-нибудь справочник по этой теме. Однако иллюзия точности исчезнет, если открыть предыдущее издание того же справочника. На протяжении многих лет официально признанная величина этой «фундаментальной константы» изменялась, демонстрируя тенденцию к постепенному возрастанию (ил. 16).
Максимальное изменение значения постоянной Планка отмечалось с 1929 по 1941 гг., когда ее величина возросла более чем на 1 %. В значительной степени это увеличение было вызвано существенным изменением экспериментально измеренного заряда электрона, е. Измерения постоянной Планка не дают непосредственных значений данной константы, поскольку при ее определении необходимо знать величину заряда и массу электрона. Если одна или тем более обе последние константы изменяют свои величины, изменяется и величина постоянной Планка.
Ил. 16. Лучшие результаты измерения постоянной Планка в период с 1919 по 1988 гг.
Во введении к третьей части книги я уже упоминал об экспериментах Милликена по определению заряда электрона. Как выяснилось, именно сложность точного определения элементарного заряда затрудняет точное вычисление постоянной Планка. Даже в том случае, когда отдельные исследователи в своих экспериментах определяли значительно большую величину этого заряда, их сообщения старались не замечать. «Огромная известность и авторитет Милликена предопределили уверенность в том, что вопрос о величине заряда электрона уже получил вполне определенный ответ». [261] В течение примерно двадцати лет исследователи предпочитали пользоваться величиной, которую определил Милликен, но появлялось все больше и больше доказательств того, что реальная величина заряда электрона превышает официально признанную. Ричард Фейнман высказался по этому поводу так:
261
Фон Фризен, С. О значениях фундаментальных констант атомной физики (von Friesen, S. On the values of fundamental atomic constants. Proceedings of the Royal Society, 1937.A1 60:424–440).
«Интересно проследить историю измерений заряда электрона после Милликена. Если построить график этих измерений как функцию времени, видно, что каждый следующий результат чуть выше предыдущего, и так до тех пор, пока результаты не остановились на некотором более высоком уровне. Почему же сразу не обнаружили, что число несколько больше? Ученые стыдятся этой истории, так как очевидно, что происходило следующее: когда получалось число, слишком отличающееся от результата Милликена, экспериментаторы начинали искать у себя ошибку. Когда же результат не очень отличался от величины, полученной Милликеном, он не проверялся так тщательно. И вот слишком далекие числа исключались и т. п.». [262]
262
Feynman, R. Surely You "re Joking, Mr Feynman: Adventures of a Curious Character. New York: Norton, 1985 (рус. пер. О.Л. Тиходеевой: Фейнман, Р. Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман. По материалам журнала «Успехи физических наук», т. 148, вып. 3,1986).
В конце 30-х гг. расхождения в результатах больше нельзя было игнорировать, но нельзя было и просто отбросить величину, представленную Милликеном и давно признанную учеными. Вместо этого заряд электрона скорректировали за счет введения новой
263
Фон Фризен, С. О значениях фундаментальных констант атомной физики (von Friesen, S. On the values of fundamental atomic constants. Proceedings of the Royal Society, 1937, Al 60:424–440): Бердж, Р.Т. Таблица новых значений основных физических констант (Birge, R. Т. A new table of the general physical constants. Reviews of Modern Physics, 1941, 13:233–239).
264
Бердж, Р.Т. Данные по значениям некоторых констант атомной физики с особо точной величиной заряда электрона на 1944 г. (Birge, R.T. The 1944 values of certain atomic constants with particular reference to the electronic charge. American Journal of Physics, 1945, 13:63–73).
Интересно отметить, что значение этой фундаментальной константы постоянно возрастало в период с 50-х до 70-х гг. (таблица 3). Каждое возрастание превышало допустимую погрешность при определении этой константы в предыдущих экспериментах. Самые последние результаты измерений показывают небольшое уменьшение постоянной Планка.
Таблица 3
ВЕЛИЧИНА ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА,
ИЗМЕРЕННАЯ В ПЕРИОД С 1951 ПО 1988 гг.
(ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ)
< image l:href="#"/>Было сделано несколько попыток обнаружить изменение постоянной Планка по красному смещению спектров излучения сильно удаленных квазаров и звезд. Суть идеи заключалась в том, что, если бы величина этой фундаментальной константы изменилась, изменение можно было бы обнаружить, сравнивая излучение, возраст которого превышал несколько миллиардов лет, с намного более поздним излучением от сравнительно близко расположенных объектов. Было выявлено небольшое различие, которое привело к громкому заявлению, что величина постоянной Планка ежегодно изменяется примерно на 5/1013 Оппоненты указывают на то, что полученные результаты были предсказуемыми, поскольку все вычисления основывались на изначальном допущении о неизменности этой фундаментальной константы. [265] Нетрудно заметить, что повторяется прежний аргумент. Строго говоря, начальное допущение подразумевало неизменность произведения hc, но, поскольку величина с является константой по определению, отсюда следует и неизменность постоянной Планка h.
265
Петли, Б.У. Фундаментальные физические константы и границы метрологии (Petley, В. W. The Fundamental Physical Constants and the Frontiers of Metrology. Bristol: Adam Hilger, 1985, p. 46); Барроу, Дж. Д., Типлер, Ф. Антропный принцип в космологии (Barrow, J.D., and F. Tipler. The Anthropic Cos-mological Principle. Oxford: Oxford University Press, 1986, p. 241).
ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОСТОЯННОЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ
Одна из проблем при регистрации изменений величины любой из фундаментальных констант заключается в том, что при обнаружении таких изменений бывает сложно определить, являются ли они следствием непостоянства самой константы или же причина заключается в изменении единиц измерения, с помощью которых определяется величина. Однако некоторые фундаментальные константы не имеют размерности, а выражаются только определенным числом, и поэтому вопрос о возможном изменении единиц измерения не возникает. Одной из таких безразмерных констант является отношение массы протона к массе электрона. Еще одним подобным примером может служить постоянная тонкой структуры. По этой причине некоторые специалисты в метрологии особенно подчеркивают, что «колебания величины физических «констант» следовало бы формулировать с использованием безразмерных постоянных». [266]
266
Кук, Э. Изменения единиц измерения и физических констант (Cook, A.H. Secular changes of the units and constants of physics. Nature, 1957,160:1194–1195).