Атомний годинник та космічна константа: Новий підхід до вимірювання швидкості світла через випромінювання водню

Сучасна метрологія досягла значних успіхів у калібруванні фундаментальних фізичних констант, використовуючи для цього високоточні атомні годинники. Нещодавні наукові зусилля зосереджені на вимірюванні швидкості світла у вузькому спектральному діапазоні. Цей діапазон безпосередньо пов'язаний із випромінюванням холодного водню на довжині хвилі 21 сантиметр. Такий інноваційний метод дозволяє не лише уточнити значення швидкості світла, але й поглиблено дослідити механізми, що керують розширенням Всесвіту, а також силу електромагнітної взаємодії, яка кількісно описується сталою тонкої структури (альфа).

Ключова ідея експерименту полягає в детальному аналізі випромінювання, яке виникає внаслідок переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома водню. Це випромінювання, відоме як лінія 21 см, є наріжним каменем радіоастрономії. Нейтральний водень становить левову частку міжзоряної речовини — за оцінками, близько 80% усього водню, присутнього в галактиках. Частота цього випромінювання становить приблизно 1420 мегагерц (або 1,42 ГГц). Вчені прагнуть із безпрецедентною точністю обчислити значення сталої тонкої структури, яка є безрозмірною величиною, що визначає інтенсивність електромагнітної взаємодії.

Будь-яка, навіть найменша, флуктуація цієї константи в часі чи просторі може стати причиною для кардинального перегляду усталених космологічних моделей. Дослідження сталої тонкої структури має критичне значення, оскільки воно слугує перевіркою гіпотези про незмінність законів фізики протягом мільярдів років. Існуючі наукові дані підтверджують її стабільність. Наприклад, аналіз світла від віддалених квазарів, що охоплює період до 13 мільярдів років, а також новітні дослідження, які демонструють відсутність змін за останні три мільярди років із точністю до однієї мільйонної частки, свідчать про її постійність.

Ідея про потенційну мінливість фундаментальних констант завжди привертала увагу видатних фізиків, зокрема Ландау та Гамова. Ця перспектива відкриває можливість побачити, як саме змінювалися електромагнітні сили на зорі часів. Вибір лінії 21 см для цих вимірювань не випадковий — він зумовлений її повсюдною поширеністю у Всесвіті. Хоча самовільний перехід в окремому атомі відбувається вкрай рідко — у середньому лише раз на 11 мільйонів років, — колосальна кількість атомів у космічних хмарах забезпечує достатню інтенсивність випромінювання, щоб його можна було зареєструвати на величезних відстанях.

Застосування атомних годинників гарантує необхідну метрологічну чистоту, що дозволяє виключити інструментальні похибки, які могли спотворити результати попередніх вимірювань. Такі надточні дослідження виступають своєрідним барометром, що відображає гармонію, вбудовану в тканину реальності. Прагнення до такої високої точності у визначенні швидкості світла та сталої тонкої структури є актом відповідальності перед знанням, що дозволяє нам сформувати значно ясніше бачення еволюції нашого Всесвіту.