Юный техник, 2013 № 09

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ! Изменяющиеся константы

«Учитель в школе, возможно, говорил вам, что массы элементов из периодической системы — величины постоянные. Однако теперь мы уверены, что это утверждение далеко от истины, — рассказывает директор Рестоновской лаборатории стабильных изотопов (США) Тайлер Коплен. — Мы убедились, что атомный вес по крайней мере некоторых элементов зависит от того, в какой именно точке земного шара вы находитесь».

Ученый пояснил свою мысль таким образом. Большая часть атомной массы приходится на ядро атома, где расположены протоны и нейтроны. При этом количество протонов в ядре всегда постоянно для данного элемента; скажем, у ядра углерода их всегда шесть, у кислорода — восемь, и так далее. Однако исследователи не случайно говорят об изотопах многих элементов. А вот они-то даже у одного и того же химического элемента могут иметь разное количество нейтронов.

Большая часть изотопов нестабильна, поэтому в периодической таблице указывались атомные массы того изотопа, который не распадается дольше всех.

Однако ряд элементов все же имеет больше одного стабильного изотопа. Скажем, у брома таких два, причем их распространенность на планете Земля примерно одинакова: 79Br — 50,56 %, 81Br — 49,44 %. И тут появляется проблема: какую именно атомную массу указывать в таблице Менделеева? Конечно, можно обойтись «средним арифметическим», но тогда будет казаться, что в природе доминирует искусственно получаемый нестабильный бром-80, атомный вес которого как раз соответствует нашему среднеарифметическому показателю. Непорядок…

Тем более что недавно выяснилось: в морской воде и в солях изотоп 81Br более распространен, чем в живых организмах. То есть в тканях омуля из озера Байкал доминирует бром 79Br, а в тканях мурен в Красном море больше изотопа 81Br. А у магния стабильных изотопов уже три, их распространенность тоже меняется в разных средах…

Более того, какой бы из изотопов мы ни выбрали в качестве «основного», выбор будет весьма условным — ныне известно, что на других планетах Солнечной системы, а также на самом Солнце распределение стабильных изотопов отличается от земного. Тем более оно может быть другим в иных звездных системах.

Все это заставило Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) заявить, что в случае атомных масс брома и магния лучше использовать интервалы, чем точные цифры. Так что атомная масса брома теперь не 79,904, а 79,901 — 79,907, или иначе [79,901, 79,907], а магния — не 24,3050, а 24,304 — 24,307 [24,304, 24,307].

Заменив «четкие» атомные массы интервалами у десяти элементов, включая самые распространенные — водород и углерод, ИЮПАК то же самое проделал еще с тремя элементами — германием, индием и ртутью.

Тайлер Коплен уверен, что в будущем, по мере роста чувствительности приборов, которые позволяют оценить доли различных изотопов в тех или иных регионах Земли, та же история повторится с другими элементами, имеющими более одного стабильного изотопа.

И это еще не все. Недавно международная группа астрофизиков обнаружила, что меняются не только массы химических элементов, но даже фундаментальные законы природы. «По мере старения Вселенной придется признать устаревшими и некоторые константы, — говорят они. — Это поразительное открытие может привести к радикальному изменению современных физических представлений о характере всего мироздания».

Началось же с того, что исследователи с помощью самых крупных телескопов занялись изучением поведения атомов металла и лучей света в газовых облаках, расположенных на расстоянии 12 миллиардов световых лет от Земли. Световые лучи, как известно, только теоретически распространяются строго по прямой. На практике притяжение небесных тел может более или менее их искривлять. Так вот, наблюдения привели к обнаружению такой картины распространения световых лучей, которую исследователи смогли объяснить только тем, что сила притяжения в наблюдаемых атомах со временем может меняться.

Если эти предположения подтвердятся, то придется признать, что и другие константы, считавшиеся до сих пор неизменными, как, например, скорость света, тоже меняются с течением времени.

Впрочем, и сами авторы открытия относятся пока к нему с осторожностью. Так, доктор Уэбб, говоря о возможных его следствиях, замечает, что законы физики, вероятно, несколько эволюционируют со временем, и что если это действительно так, то полученные результаты — самое крупное научное достижение для него и его коллег.

Доктор Роберт Колб, астрофизик из Национальной лаборатории имени Ферми, оценивая эту работу, сказал, что она не только может заставить нас пересмотреть космологические представления о происхождении и эволюции Вселенной, но и подтвердить не доказанную еще физическую теорию — так называемую теорию струн, предсказывающую существование дополнительных измерений. «В общем, последствия открытия, если оно подтвердится, будут грандиозны», — добавил он.

Особую же, если так можно выразиться, симпатию многие физики испытывают к тем константам, вокруг которых давно ведутся споры на тему их постоянства. Именно такой величиной является постоянная тонкой структуры «альфа», возможную вариацию которой пытаются выявить австралийские исследователи во главе с Майклом Мерфи.

Постоянная «альфа» была введена в 1916 году физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфе льдом для более точного описания строения атомов. Научная значимость

этой постоянной состоит прежде всего в том, что она описывает электромагнитное взаимодействие. А оно, в свою очередь, характеризует силу, с которой атом поглощает фотоны.

Это касается всех нас. Так, мы видим исключительно потому, что фотоны, попадая в наш глаз, взаимодействуют со светочувствительными молекулами его сетчатки. Во время разговора по мобильному телефону электромагнитные волны разносят наши голоса по эфиру. И даже к растворению соли в супе или сахара в чае имеют непосредственное отношение электромагнитные силы.

Физики отдают предпочтение «альфе» еще и потому, что она является безразмерной величиной — это «голое» число, равное 0,0072973506. Им очень удобно пользоваться в разного рода расчетах, что является ценным преимуществом при поиске изменений мировых констант. Если вариация будет найдена, можно не сомневаться, что она касается самой константы, а не масштаба, в котором она измеряется. А ведь за многие миллиарды лет длина метра или длительность секунды тоже могли измениться.

А что может произойти, если какие-то константы в самом деле значительно изменятся? Теория струн, например, может приспособиться к изменениям величин, которые, с точки зрения общепринятых физических величин, считаются неизменными. «Создатели этой теории заранее считают, что изменения во Вселенной, скажем, ее расширение, могут изменять значения таких величин, как постоянная тонкой структуры «альфа», — говорит физик из Принстонского университета Пол Стейнхард.

На практике же, если, скажем, увеличится гравитационная постоянная, дела могут обстоять куда хуже. Возросшая сила тяготения приведет к сжатию Земли. Наша планета начнет вращаться вокруг Солнца по меньшей орбите, что приведет к повышению температуры; вокруг нас станет настолько жарко, что все моря испарятся.

Под воздействием возросших гравитационных сил произойдет также сжатие Солнца, в результате чего возрастет интенсивность процессов, в которых оно черпает свою энергию. Из-за увеличения «тепловой мощности» раскаленный огненный шар уже на раннем этапе эволюции достигнет максимальной интенсивности свечения и вскоре израсходует все свое топливо.

Столь же драматические перемены произойдут, если постоянная «альфа» будет иметь значение, превышающее нынешнее хотя бы на четыре процента. Внутри звезд, например, полностью прекратится синтез углерода, поскольку процессы, в ходе которых из легких атомов — водорода и гелия — синтезируются более тяжелые химические элементы, особо чувствительны к вариациям «альфы». Без углерода же — основы строения живой материи — не будет ни белков, ни ДНК, ни вообще жизни в том ее виде, в каком мы ее знаем.

При снижении значения «альфы» силы, удерживающие атомы в молекулах, напротив, уменьшатся. В результате возникнет абсолютно иная химия; в частности, связи между атомами будут разрушаться при более низких температурах, нежели сегодня. Мир станет куда менее прочным.

С аномальными эффектами нам пришлось бы столкнуться и в том случае, если бы скорость света составляла не 300 000 км/с, а, допустим, лишь 40 км/ч. Если бы мы в такой Вселенной, сидя на велосипеде, с ветерком прокатились по улице, то уличные фонари, к которым бы мы приближались, встречали бы нас ярко-синим светом, а те, от которых бы мы удалялись, согласно эффекту Доплера, светили нам вслед медленно гаснущими красноватыми огнями. Но это было бы еще полбеды. Хуже другое: медленное распространение лучей света не позволило бы нам видеть быстро движущиеся предметы. Скажем, грузовик на скорости 60 км/ч стал бы для нас невидимым, и столкнуться с ним было бы проще простого.

Мысленные эксперименты подобного рода показывают, насколько тонко отрегулирована Вселенная. Но это же вселяет и некоторую тревогу: а вдруг выяснится, что постоянные и в самом деле меняются?.. «Хорошо уже то, что изменения эти если и происходят, то столь медленно, что у человечества практически нет шансов их заметить в сколько-нибудь обозримом будущем», — сказал нобелевский лауреат Шелдон Глашоу. Как говорится, и на том спасибо.