Пару мільярдів років тому швидкість світла була меншою, ніж зараз. За космічними мірками - вчора. Про це свідчать нові обчислення вчених. Якщо вони підтвердяться, теорія Ейнштейна буде торпедовано, а велика частина "будівлі фізики" вимагає серйозної переробки.

Фізики Стів Ламоро (Steve Lamoreaux) і Джастін Торгерсон (Justin Torgerson) з американської національної лабораторії в Лос-Аламосі (Los Alamos National Lab) опублікували результати дослідження, що є вагомим аргументом на користь припущення про непостійність швидкості світла.

Про те, що ця швидкість теоретично може бути непостійною - фізики міркували давно. Однак досі надійних доказів такої "крамоли" знайдено не було.

Підкреслимо, мова йде не про якихось незвичайних перегонах швидкості світла прямо зараз і навіть не про досліди з так званого гальмування світла при передачі сигналу в хитромудрих установках, а про зміну самої що ні на є світовий константи - швидкості світла у вакуумі, причому на протязі всього розвитку Всесвіту.

Виявити це фізики намагаються з допомогою обчислень величини альфи - так званої постійної тонкої структури. Вона дорівнює приблизно 0,00729735.

Альфа обернено пропорційна швидкості світла, а також залежить від заряду електрона і постійної Планка. Але дві останні величини розглядаються фізиками як надійні константи (хоча, строго кажучи, це припущення).

Таким чином, коливання в космологічних масштабах цієї самої альфи повинні вказати на коливання швидкості світла.

Перший виклик альфі пролунав ще в 1998 році. Віктор Флэмбаум (Victor Flambaum) з австралійського університету Нового Південного Уельсу (University of New South Wales) вимірював проходження випромінювання від далеких квазарів через міжзоряні газові хмари. Тоді, начебто, були отримані ознаки, що альфа 12 мільярдів років тому була істотно менше.

Отже, цілком можливо, що альфа - читай швидкість світла - все змінюється час - тільки дуже плавно. За деякими теоріями зміна це може носити і хвилеподібний характер з гігантськими космологічними періодами підвищення та зниження цієї швидкості. Але пізніше висновок австралійця піддали сумніву. Зокрема, спостереження за ядерними реакціями говорять про сталість альфи з точністю до якогось там значного знака після коми.

Тут ключовий момент всієї історії - світова константа альфа впливає, серед іншого, на розподіл різних ізотопів в ядерних перетвореннях. Отже, начебто, швидкість світла встояла - але, тут ми прийшли до останніх подій, нове свідоцтво прийшло не з далеких галактик, а з-під наших ніг.

В Габоні (західна Африка) існує єдиний в світі природний ядерний реактор, названий за найближчого містечка - Oklo, який випадково утворився два мільярди років тому в концентрованих (за природними мірками, звичайно) уранових рудах глибоко під землею (містять ще і вугілля), куди проникли грунтові води.

Реактор неспішно так "погорів" сотні тисяч років, нагріваючи породи, виділяючи радіацію і виробляючи купу ізотопів, але зараз вже давно "зупинений".

Зауважимо, Oklo, містить багато урану-238, напрацьовував плутоній, який розпадаючись породжував уран-235, але ще і самарій, скандій, технецій, рубідій, паладій... Було тут, що порахувати фізикам.

Аналіз "продукції" цього реактора проводили і раніше. Але вчені з Лос-Аламоса засумнівалися в коректності минулих обчислень і вирішили ще раз перелопатити старі цифри. Більш детально і прискіпливо. Сенсаційний результат здивував навіть самих "сищиків" - виявилося, що з тієї пори, коли працював цей реактор, і до нашого часу альфа трохи зменшилася (у восьмому знаку після коми), а швидкість світла, відповідно, зросла.

Тут потрібно додати, що точність визначення (обчислення) альфи в даний час крутиться десь в районі 15-го знака або навіть далі. І за цими мірками зміна, виявлене американцями - величезна.

Перші відгуки, що важливо - як від прихильників постійної швидкості світла, так і від прихильників її коливань на величезних відрізках часу, звучать приблизно однаково: "Ніяких помилок у розрахунках Ламоро знайти поки не вдається, але для такого революційного перегляду фізики потрібні ще численні перевірки".

Між тим деякі фізики взяли б розжалування альфи з констант з радістю. Наприклад, якщо б альфа була істотно менше, а швидкість світла - більше, на зорі Всесвіту, це вирішило б "проблему горизонту". Космологи з усіх сил намагаються пояснити, чому великі області Всесвіту показують приблизно один і той же температурний фон.

Це означає, що дані області перебували колись досить близько, щоб обмінятися енергією і зрівняти температуру Існуючі моделі ранньої Всесвіту суперечать цьому. А більш висока швидкість світла дозволила б енергії вчасно пройти між цими областями.

Змінна альфа також підвищує шанси на визнання теорії струн, додаткові просторові виміри та інші умоглядні матерії, що представляють сьогодні передній край фізики, які, ймовірно, зажадає від людства перегляду багатьох усталених уявлень.

Дивно, що такі грандіозні перспективи відкриваються лише після нудного і занудного (для сторонніх) аналізу співвідношення ізотопів в Oklo і уточнення лише однієї-двох цифр на якомусь там місці після коми в такому скромному числі - з простою назвою - альфа.

Сьогодні природних ядерних реакторів не існує, але в 1972-му році науковий світ розбурхало повідомлення про відкриття їх залишків на урановому родовищі Окло (Oklo), розташованому на південному сході Габону. і, потім, на іншому урановому родовищі Бангомбе (Bangombe), що знаходиться в 35-ти кілометрах на південний схід від Окло. Зараз відомі 17 стародавніх реакторів. Зовні це звичайний рудник .

Хіба що на фотографії залишки окису урану видно як жовтуваті гірські породи. Але в 1972 році при пересічних вимірах фізичних параметрів партії природного урану надійшов на збагачувальну фабрику французького міста Пьерлате з Габону, французький хімік-аналітик Бугзиг звернув увагу на незвичайне співвідношення ізотопів урану-235 і урану-238. Зазвичай воно складає 0,007202 з точністю 0,00006. У всіх уранових мінералів, у всіх гірських породах і природних водах Землі, а також в зразках місячних це співвідношення виконується. Родовище в Окло поки єдиний, зареєстрований в природі випадок, коли це сталість було порушено. У разі Бугзига співвідношення склало 0,00717.

Було висунуто декілька гіпотез щодо дивного співвідношення ізотопів урану в руді - від забруднення родовища відпрацьованим паливом з інопланетних космічних кораблів або існування в цьому місці поховань радіоактивних відходів древньої цивілізації до розкрадань урану. Однак більш детальні дослідження показали, що незвичайна уранова руда утворилася природним шляхом.

Розрахунки показали, що якщо масова частка ґрунтових вод у пласті становить близько 6% і якщо природний уран збагачений до 3% U-235, при цих умовах може почати працювати природний ядерний реактор. Оскільки підприємство знаходиться в тропічній зоні і досить близько до поверхні, - існування достатньої кількості грунтових вод досить ймовірно. Співвідношення ізотопів урану в руді було не звичайним. -235 U і U-238 - радіоактивні ізотопи з різними періодами напіврозпаду. U-235 має період напіврозпаду 700 млн. років, а U-238 розпадається з періодом напіврозпаду в 4,5 млрд. Ізотопне зміст U-235 знаходиться в природі в процесі повільного зміни. Наприклад, 400 млн. років тому в природному урані мав бути 1% U-235, 1900 млн. років тому його було 3%, тобто необхідну кількість для "критичності" жили уранової руди. Вважається, що саме тоді реактор Окло перебував у стані роботи.

Як же природі вдалося створити умови для ланцюгової ядерної реакції? Спочатку в дельті древньої річки утворився багатий уранову руду шар пісковику, який спочивав на міцному базальтовому ложі. Після чергового землетрусу звичайного в той буйне час базальтовий фундамент майбутнього реактора опустився на кілька кілометрів, потягнувши за собою уранову жилу. Жила розтріскалася, тріщини проникла ґрунтова вода. Потім черговий катаклізм підняв всю "установку" до сучасного рівня.

В ядерних топках АЕС паливо розташовується компактними масами всередині сповільнювача. Так вийшло і в Окло. Сповільнювачем служила вода. В руді з'явилися глинисті "лінзи", де концентрація природного урану від звичайних 0,5% підвищилася до 40%. Як утворилися ці компактні брили урану, точно не встановлено. Можливо їх створили фільтраційні води, які несли глину і комкали уран в єдину масу. Коли маса і товщина шарів, збагачених ураном, досягла критичних розмірів, у них виникла ланцюгова реакція, і установка почала працювати. В результаті роботи реактора утворилося близько 6 тонн продуктів поділу та 2,5 тонни плутонію. Більшість радіоактивних відходів залишилося усередині кристалічної структури мінералу уранита, який виявлений у тілі руд Окло. Елементи, які не змогли проникнути крізь ґрати уранита занадто великий або занадто маленького іонного радіуса, дифундують або вилуговуються. Протягом 1900 млн. років, що минули з часів роботи реакторів в Окло, принаймні половина з більш ніж тридцяти продуктів поділу виявилися пов'язані в руді, незважаючи на велику кількість грунтових вод в цьому родовищі. Пов'язані продукти розподілу включають в себе елементи: La, Ce, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Y, Zr, Ru, Rh, Pd, Ni, Ag. Була виявлена деяка часткова міграція Pb, а міграція Pu була обмежена відстанню менше 10 метрів. Тільки метали з валентністю 1 або 2, тобто ті, які володіють високою розчинністю у воді, були забрані. Як і передбачалося, на місці майже не залишилося Pb, Cs, Ba і Cd. Ізотопи цих елементів мають відносно короткі періоди напіврозпаду десятки років або менше, так що вони розпадаються до нерадіоактивного стану перш, ніж зможуть далеко мігрувати в ґрунті.

Найбільший інтерес з точки зору довготривалих проблем захисту навколишнього середовища представляють питання міграції плутонію. Цей нуклід ефективно пов'язаний на термін майже 2 млн. років. Так як плутоній до теперішнього часу майже повністю розпадається до U-235, то про його стабільності свідчить відсутність надлишку U-235 не тільки ззовні реакторної зони, але також поза зерен уранита, де утворювався плутоній під час роботи реактора.

Існував цей унікум природи близько 600 тисяч років і виробив приблизно 13000000 кВт. год енергії. Його середня потужність 25 кВт: у 200 разів менше, ніж у першої в світі АЕС, пущеної в Обнінську в 1954 році.

Якщо простежити весь ланцюжок розпадів в теорії (Наприклад, торій від розпаду U-236 і вісмут від розпаду U-237, які були виявлені лише в реакторних зонах в родовищі Окло ) і порівняти з фактичним ізотопним складом цих елементів можна виявити нерівномірність тимчасової шкали. Що і було зроблено.

Аналіз "продуктів розпаду " реакторів в Окло проводився і раніше. але фізики Стів Ламоро (Steve Lamoreaux) і Джастін Торгерсон (Justin Torgerson) з американської національної лабораторії в Лос-Аламосі (Los Alamos National Lab) засумнівалися в коректності минулих обчислень і вирішили ще раз перелопатити старі цифри. Більш детально і прискіпливо. Головною темою дослідження стала постійна тонкої структури впливає, серед іншого, і на розподіл різних ізотопів в ядерних перетвореннях.

Постійна тонкої структури - альфа - визначається як a = e2/hc ~ 1/137,03599958 де e - заряд електрона, h - постійна Планка і с - швидкість світла. Вона є фундаментальним числом, що визначає силу електромагнітних взаємодій. Як випливає з назви, постійна тонкої структури описує розщеплення атомних рівнів на кілька близьких підрівнів (мультиплеты) за рахунок ефектів спеціальної теорії відносності. Величина цього розщеплення пропорційна квадрату a.

Так як заряд електрона і постійна Планка розглядаються фізиками як надійні константи (хоча, строго кажучи, це довільне припущення), коливання в космологічних масштабах постійної тонкої структури повинні вказувати на коливання швидкості світла. Сенсаційний результат здивував навіть самих "сищиків" - виявилося, що з тієї пори, коли працював цей реактор, і до нашого часу постійна тонкої структури трохи зменшилася (у восьмому знаку після коми), а швидкість світла, відповідно, зросла. Тут потрібно додати, що точність визначення (обчислення) постійної тонкої структури в даний час крутиться десь в районі 15-го знака або навіть далі. І за цими мірками зміна, виявлене американцями - величезна.

Ще в 1955 році, російський фізик Лев Ландау розглянув можливість залежності постійної тонкої структури від часу. Експерименти взаємодії елементарних частинок при їх зіткненні показали зростання константи , до ~ 1/128 із збільшенням енергії зіткнення. Що, можливо, пов'язано з зміною мірності простору мікросвіту ( 5, 7 і більше ), де відкриваються згорнуті у нашому 3-мірному просторі вимірювання.

Але для макросвіту перший виклик постійності постійної тонкої структури пролунав у 1998 році. коли група астрономів з австралійського університету Нового Південного Уельсу (University of New South Wales) виміряв проходження випромінювання від далеких квазарів через міжзоряні газові хмари і отримав ознаки того , що в минулому постійна тонкої структури відрізняється від сьогоднішнього значення .( Остання стаття в Phys.Rev.Lett. 87 (2001)J.K Webb, MT Murphy, V. V. Flambaum, V. A. Dzuba, J. D. Barrow, C. W. Churchill, X. J. Prochaska, and A. M. Wolfe, 091301 (вона є також astro-ph/0012539), де стверджується, що постійна тонкої структури в минулому була трохи менше: d(a)/ alpha = -0.72+-0.18 10 -5 для червоних зсувів в діапазоні 0.5 < z < 3.5.)

Зовсім просте пояснення методу-Якщо світло від полум'я пропустити через призму і поставити за нею аркуш паперу, то ми побачимо веселку. Якщо в полум'я сипати, наприклад, сіль, то до звичайних кольорів веселки додадуться жовтуваті - так звані емісійні лінії. Поміщаючи між полум'ям і призмою колбу з газом, можна на цій "веселці" побачити темні лінії поглинання. Довжини хвиль цих емісійних і поглотительных ліній безпосередньо пов'язані з енергетичними рівнями атомів в солі в газі. Спектроскопія таким чином дозволяє дистанційно вивчати будову атомів.

C точки зору спектроскопії тонка атомна структура може дистанційно спостерігатися як мультиплетное розщеплення енергетичних рівнів і спектральних ліній атомів і молекул, обумовлене спін-орбітальним взаємодією. Таким чином, якщо б постійної тонкої структури -"альфа" дійсно змінювалася, то "доісторичні" емісійні і поглинальні спектри теж би змінилися. Тому один із способів відстеження будь-яких змін у значеннях "альфи" в історії Всесвіту полягає в тому, щоб отримувати спектри віддалених квазарів ("маяк" незвичайної потужності), та порівнювати довжини хвилі деяких характерних спектральних ліній з відповідними сучасними значеннями. Квазари тут використовуються тільки в якості універсальних джерел світла в найбільш віддаленій частині Всесвіту. Міжзоряні газові хмари в галактиках, розташованих між квазарами і нами на відстанях від 6 до 11 мільярдів світлових років, поглинають частину світла, що випускається цими квазарами. В отриманих спектрах таким чином виникають темні "точки мінімуму", які можуть бути приписані відомим елементів. Зміна постійної тонкої структури повинно позначитися на розподілі енергетичних рівнів в атомах, і довжини хвиль поглотительных ліній при цьому теж будуть змінюватися. Порівнюючи відстані між точками "мінімумів" з лабораторними значеннями, можна обчислити "альфа" як функцію відстані відповідних об'єктів від нас, тобто як функцію віку Всесвіту.

Система ліній кожного хмари з-за розширення всесвіту має своє червоне зміщення z, меншу ніж z квазара, спостережуваного крізь хмару, але все-ж відповідне космологічного відстаней і часів, тобто ранньої всесвіту. Вимірюючи відразу кілька ліній поглинання одного хмари, можна визначити і значення постійної тонкої структури в ті часи.

Група астрономів на чолі з Патріком Петитжином (Patrick Petitjean) з Астрофізичного інституту Парижа (Institut d'Astrophysique de Paris) і Паризької обсерваторії (Observatoire de Paris) у Франції та Раганатаном Срианандом (Raghunathan Srianand, IUCAA Pune, Індія) дуже ретельно вивчила гомогенну вибірку 50 поглотительных систем, що спостерігалися з допомогою UVES (Спектрограф ультрафіолетового і видимого діапазону Эшеля (Ultra-violet and Visible Echelle Spectrograph) і Kueyen Kueyen ESO в обсерваторії Paranal (Чилі) за 18 віддаленим лініях візування квазарів. Робота називалася "Дослідження космологічних варіацій постійної тонкої структури". Вони робили запис спектрів квазарів протягом 34 ночей, щоб досягти найбільшого спектрального дозволу і кращого співвідношення сигнал-шум. Потім були застосовані деякі автоматичні процедури та комп'ютерне моделювання, спеціально розроблені для цього проекту, щоб виявити можливу варіацію "альфа".

В результаті цього обширного вивчення було встановлено, що за останні 10 мільярдів років відносні варіації "альфа" не можуть перевищувати однієї мільйонної (точніше, 6x10-7. Це саме суворе обмеження на варіації "альфа" на даний момент з отриманих шляхом вивчення ліній поглинання квазара.

Майкл Мерфі (Michael Murphy), астроном з британського Кембриджського університету, входив у групу, яка за допомогою гавайського телескопа Keck знайшла зміни в значенні постійної тонкої структури, з довір'ям поставився до нових результатів: "Дані VLT мають більш високу якість", - говорить він. Результат Keck базувався на більшій кількості хмар - 143, - однак окремі спостереження проводились не такий тривалий час, і квазари були в середньому більш слабкими, що робило спектральні лінії вдвічі менш ясними порівняно з новими вимірами на VLT.

Зважаючи на великий загальнотеоретичної значущості твердження про змінності фундаментальних констант, отриманий результат потребує подальшої ретельної перевірці.