Дослідження вчених з Німеччини і Великобританії показали, що ставлення мас протона і електрона не змінюється з часом. Точність експерименту була достатньою, щоб помітити зміну більше однієї мільйонної за 5 млрд років.
Властивості нашого світу визначаються значеннями фундаментальних фізичних постійних (констант), що входять до різних фізичних законів. До них належать постійна тонкої структури, постійна Планка, швидкість світла, елементарний заряд тощо.
Одне з найважливіших питань у дослідженні еволюції Всесвіту - питання про те, чи змінюються значення фундаментальних констант з плином часу. Доказ того, що константи змінюються в часі і просторі, означатиме, що закони фізики неоднакові для різних частин Всесвіту або тимчасових інтервалів його розвитку.
Це питання природним чином виникло після відкриття в 20-ті роки ХХ століття розширення Всесвіту. Його можна сформулювати більш широко: а чи можуть існувати фізичні константи в всесвіті, що динамічно розвивається? Цілий ряд космологічних теорій і теорій об'єднання гравітації з іншими фундаментальними взаємодіями пророкують, що, принаймні, деякі фундаментальні константи можуть змінюватися в Всесвіті, що розширюється. Тому виявлення таких змін дало б важливу інформацію про структуру і розвиток Всесвіту. Ці дослідження важливі і для метрології, яка розробляє систему одиниць, засновану на фундаментальних константах.
В даний час немає надійних експериментальних або спостережних даних, що свідчать про такі зміни. Однак всі вони мають цілком певну точність. Крім того, деякі астрофізичні та геофізичні спостереження останніх десятиліть дали дещо суперечливі результати. Так що дослідження мінливості фундаментальних констант як і раніше актуальні.
В останні роки лабораторні експерименти з атомним годинником досягли такої точності, що вже могли внести свій внесок у відповідь на це питання, при спостереженнях протягом всього лише декількох років. Суть справи в тому що, якщо певні фундаментальні константи змінюються, то показання атомних годинників, заснованих на різних хімічних елементах, після закінчення довгого часу будуть відхилятися від друга передбачуваним чином.
Цей метод використовували дві незалежні дослідницькі групи - одна з Національної фізичної лабораторії (NPL), Великобританія, інша з національного метрологічного інституту Німеччини (PTB) - для перевірки сталості важливої фізичної величини - відносини мас протона і електрона - шляхом порівняння показань оптичного годинника з захопленим іоном іттербію і атомних годинників на основі цезію. В даний час це один з найбільш точних годин.
Маса електрона визначає частоту оптичного атомного годинника, а маса протонів впливає на частоту цезієвих годин через властивості атомного ядра. Зміна фундаментальних фізичних констант, наприклад, постійної тонкої структури, призведе до зміни електромагнітної взаємодії, в якій беруть участь обидві частинки, і сильної взаємодії, в якій бере участь протон. Це позначиться і на масах частинок.
Для отримання результату фізики проводили експеримент протягом 7 років. У підсумку було зроблено висновок, що відношення мас протона з електрона не має ніяких помітних змін з відносною похибкою в кілька одиниць 10-16. Це означає, що якщо зміна даного відношення все ж є, то воно відбувається менш, ніж на мільйонну частку за час існування Сонячної системи (близько 5 млрд. років). Результати досліджень були опубліковані в журналі Physical Review Letters (1, 2).
Ці роботи також закладають основу для використання іттербію (171Yb) як оптичного стандарту частоти, який потенційно міг би замінити існуючий цезієвий стандарт частоти.
За матеріалами Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Підпис до схеми:Схема експериментальної установки для вимірювання переходів E2 і E3, що визначають тактові частоти іона іттербію (171 Yb +). Відношення E3/E3 визначалося шляхом стабілізації одного лазера на E3 переході, а іншого лазера на E2 переході і вимірювання відносини між частотами лазерів (з технічних причин використовувалися інфрачервоні лазери, які повинні були мати подвоєну частоту, щоб порушити оптичні переходи E2 і E3).