Цивилизация
На минувшей неделе в журнале Nature Communications была опубликована статья, в которой физики наложили ограничения на вариации одной из фундаментальных физических постоянных — постоянную тонкой структуры. Сравнивая лабораторные спектры молекулы CH со спектрами галактических объектов, ученые установили, что возможное изменение этой константы во Вселенной не может превосходить 1/30 000 000. В интервью «Газете.Ru» соавтор работы Михаил Козлов из Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ) рассказывает о деталях исследования.
— Основной результат вашей работы — это установление пределов изменения некоторых фундаментальных констант. В частности, постоянной тонкой структуры и отношения массы электрона к массе протона. Можете подробнее рассказать о том, как была сделана эта работа? Очень интересным кажется сравнение результатов в лаборатории и астрофизических наблюдений!
— В свое время было грандиозным достижением доказательство того, что законы физики, открытые на Земле, применимы во всей Вселенной. Это и сделало физику универсальной наукой. Во второй половине XX века была сформулирована Стандартная модель (СМ), которая описывает абсолютно все экспериментальные результаты, полученные в земных условиях. В то же время большинство теоретиков считают эту теорию неполной и неокончательной. Поскольку все лабораторные эксперименты ею успешно объясняются, физики пытаются проверить, как она работает на больших (вплоть до космологических) пространственно-временных масштабах.
На таких масштабах у СМ есть существенные проблемы, так как она не может объяснить существование во Вселенной ни «темной материи», ни «темной энергии».
Одним из слабых мест СМ является наличие в ней большого количества свободных параметров. Их в ней около двух дюжин, и СМ предлагает все их считать фундаментальными постоянными (ФП), величину которых нельзя предсказать. Если же СМ не фундаментальная теория, то ее «постоянные» в рамках более общей теории могут быть простыми наблюдаемыми, которые могут эволюционировать со временем или зависеть от локальных условий. Кажется наиболее естественным искать такие вариации ФП, сравнивая результаты астрофизических наблюдений с лабораторными экспериментами. В принципе можно сравнивать астрофизические спектры из разных частей Вселенной друг с другом. По существу, именно так и делали Джон Вебб и Виктор Фламбаум, когда предложили модель «австралийского диполя». Но в радиоастрономии пока очень мало объектов, где удалось обнаружить нужные нам молекулярные спектральные линии. Поэтому без сравнения с лабораторными спектрами пока не обойтись.
История нашей работы такова. В сентябре 2011 года была конференция в Бостоне Fundamental Science with Ultracold Molecules, где я делал доклад про использование молекулярных спектров для поиска вариации постоянных α (постоянная тонкой структуры, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия) и μ (отношение масс электрона и протона). Целью доклада было показать, что радиочастотные спектры молекул гораздо чувствительнее к вариации этих постоянных, чем оптические спектры атомов, которые обычно используются для этой цели. В частности, я привел пример молекулы CH, у которой есть несколько линий с очень высокой чувствительностью. Особенно важно, что эти линии иногда (хотя и весьма редко) наблюдаются в спектрах межзвездного газа. Поэтому их можно использовать как очень чувствительный прибор, «замеряющий» значение α и μ в разных частях Вселенной. Однако на этом пути имелось серьезное препятствие — частоты соответствующих линий были измерены в земных условиях с недостаточной точностью. После доклада ко мне подошел Эдвард Хайнс из Imperial College и сказал, что они как раз работают с СН и могут измерить две наиболее интересные линии.
Работа оказалась сложной, но через два года группе Хайнса удалось провести эти измерения с точностью, в 300 раз выше предыдущей и выше, чем в радиоастрономии.
Далее эти спектры сравнили с уже имевшимися спектрами межзвездного газа, и оказалось, что в пределах ошибок они совпадают. С учетом высокой чувствительности этих линий к значению постоянной α из этого следует, что величина α «там» и «тут» совпадает с очень высокой точностью. СМ выдержала очередную проверку…
— Расскажите подробнее о коллективе авторов данной работы — в него входят восемь человек из пяти разных научных организаций разных стран (Россия, Великобритания, США, Германия и Саудовская Аравия).
— Основную экспериментальную работу сделал Стефан Труппе. Это стало его диссертацией, которую он представил пару недель назад. Майкл Тарбут и Эдвард Хайнс — его руководители. Еще двое ребят из «Империал» — студенты, которые помогали строить установку и проводить наблюдения. Возможно, кто-то из них продолжит работу на этой установке, когда Стефан получит степень и уйдет. Хезер Левандовски давно работает с холодными молекулами в JILA, США. Она провела несколько месяцев в «Империал», участвовала в работе и делилась опытом. Наконец, Кристиан Хенкель — радиоастроном из Германии. Он работает на 100-метровом радиотелескопе в Бонне и является признанным экспертом. Кристиан консультировал группу по вопросам астрофизики. Я не знаю, как он попал в Саудовскую Аравию.
— В чем состоял ваш вклад в эту работу? Как я понимаю, вы больше занимаетесь теорией?
— Да, я теоретик и в эксперименте не участвовал. После того доклада в Бостоне моя роль была небольшой. Группа Хайнса давно использует молекулы для исследования фундаментальных симметрий, но они впервые занялись ФП и астрофизикой. Поэтому я провел в «Империал» два месяца, помогая разбираться в астрофизической литературе и входить в курс дела. Но в конце концов они всю работу (и даже ее астрофизическую часть) сделали сами. Наличие нас с Хенкелем в списке авторов связано с тем, что работа сделана на стыке нескольких направлений и экспериментальной группе пришлось многое выучить «по ходу дела».
— Про то, что постоянная тонкой структуры не является постоянной, говорилось и раньше в научных работах. Могли бы вы сказать, как ваша нынешняя работа согласуется, например, с работой Виктора Фламбаума (если я не ошибаюсь, он раньше работал в Новосибирске, а сейчас работает в Сиднее, где вы находитесь) и его коллег («Газета.Ru» писала об этой работе)?
— Я в Сиднее как раз по приглашению Виктора Фламбаума. В вашей статье все правильно. Эти работы близко связаны. «Австралийский диполь» до сих пор не подтвержден другими исследователями, и мы пытаемся найти способы проверить его существование. Я считаю, что астрофизические наблюдения молекул могут в этом сильно помочь. После этой работы, несомненно, будут проведены новые астрофизические наблюдения. Если раньше нам не хватало лабораторных измерений, то после работы группы Хайнса нам недостает астрофизических данных. Например, я знаю, что Сергей Левшаков из ФТИ готовит сейчас предложения по наблюдению CH на 100-метровом телескопе в Германии.
Есть и другие очень перспективные молекулы, наблюдение которых тоже планируется. К ним, например, относится метанол.
— Вы сейчас находитесь в Сиднее. Вы там сотрудничаете с кем-то из коллег? По какой теме?
— Сотрудничаю с Виктором Фламбаумом. В основном занимаемся совсем другими темами, например квантовым хаосом. Но только что положили в электронный архив небольшую заметку по вариации ФП. В ней принял участие аспирант Виктора Женя Стадник. Вы правы, Виктор работал в Новосибирске, но уже более 20 лет живет в Сиднее.
— Для непосвященного читателя выражение «изменение константы» кажется чем-то неправильным. Как стоит относиться к этому факту — как к обычному явлению или как к тому, что современная наука еще мало знает об устройстве Вселенной?
— Конечно, вариация фундаментальных постоянных — бессмыслица. Если они изменяются, значит, СМ, которая их считает постоянными, неполна.
Если мы поможем обнаружить это противоречие, то более «высоколобым» теоретикам будет проще построить новую теорию. Сейчас вся беда в том, что для «неправильной» теории СМ работает слишком хорошо.
— Последний вопрос не про физику, а про организацию науки в России. Вы работаете в ПИЯФ — институте, который с 2010 года входит в структуру Курчатовского института. Во многих московских институтах, которые входят в «Курчатник» (например, ИТЭФ), сложилась дикая ситуация: там появились так называемые эффективные менеджеры, которые получают зарплату в сотни тысяч рублей, а у научных сотрудников оклад составляет несколько тысяч рублей. Как обстоит дело с ПИЯФ — так же или в нем дела гораздо лучше/гораздо хуже?
— Я последнее время много ездил и недостаточно понимаю ситуацию в институте. А пересказывать с чужих слов не хочется.
— Самый последний вопрос: ваш институт не входит в структуру РАН, но наверняка у вас есть коллеги из академических институтов. Какое у вас сложилось мнение о проводимой властями реформе РАН?
— Институт только недавно вышел из академии, и я проработал в ней 30 лет.
Никаких теплых чувств я к ней не питаю. К сожалению, радоваться такой реформе тоже не получается.
Единственное, что из этого может выйти полезное, — это если научное сообщество себя осознает и организуется. Какие-то признаки этого стали появляться. Если это произойдет, то реформаторам можно будет сказать спасибо.