Изследвания на учени от Германия и Великобритания показват, че съотношението между масите на протона и електрона не се изменят с времето.
Точността на експеримента била достатъчна, за да се забележи изменение с повече от една милионна за 5 млрд. години.
Свойствата на нашия свят се определят от стойностите на фундаменталните физични константи, влизащи в различни физични закони.
Към тях се отнасят константата на тънката структура, константата на Планк, скоростта на светлината, елементарния заряд и т.н.
Един от най-важните въпроси в изследването на еволюцията на Вселената е въпросът за това, изменят ли се стойностите на фундаменталните константи с течението на времето.
Доказателството, че константите се изменят във времето и пространството, ще означава, че законите на физиката не са еднакви за различните части на Вселената или временни интервали от нейното развитие.
Този въпрос по естествен начин възникнал след откриването през 20-те години на ХХ век на разширението на Вселената. Това може да се формулира по-широко – могат ли да съществуват физични константи в динамично развиваща се Вселена?
Цяла редица космологични теории и теории на обединението на гравитацията с останалите фундаментални взаимодействия подсказват, че поне някои фундаментални константи могат да се изменят в разширяващата се Вселена.
Затова откриването на такива изменения би дало важна информация за структурата и развитието на Вселената. Тези изследвания са важни и за метрологията, която разработва системи от единици, основани на фундаменталните константи.
Сега няма надеждни експериментални или наблюдателни данни, свидетелстващи за такива изменения. Но всички те имат напълно определена точност. Освен това някои астрофизични и геофизични наблюдения в последните десетилетия са дали противоречиви резултати. Така че изследванията на изменчивостта на фундаменталните константи както преди са актуални.
В последните години лабораторни експерименти с атомни часовници са достигнали такава точност, че вече можели да внесат своя принос в отговора на този въпрос, при наблюдения в продължение само на няколко години. Същината е в това, че ако определени фундаментални константи се изменят, то показанията на атомните часовници, основани на различни химични елементи, с времето ще се отклоняват едно от друго по предсказуем начин.
Този метод е използван от две независими изследователски групи – една от Националната физическа лаборатория (NPL) във Великобритания, другата от националния метрологичен институт на Германия (PTB) – за проверка на постоянството на важна физична величина – съотношението между масите на протона и електрона – по пътя на сравнение на показанията на оптични часовници със захванат йон итербий и атомни часовници на основата на цезий. Днес това са едни от най-точните часовници.
Масата на електрона определя честотата на оптичните атомни часовници, а масата на протона влияе на честотата на цезиевите часовници чрез свойствата на атомното ядро. Изменението на фундаменталните физични константи, например постоянната тънка структура, ще доведе до изменение на електромагнитното взаимодействие, в което участва протонът. Това ще се отрази и на масите на частиците.
Схема на експерименталната инсталация за изменението на преходите E2 и E3, определящи тактовите честоти на итербиев йон (171 Yb+). Съотношението E3/E3 се определя по пътя на стабилизирането на един лазер на E3 прехода, а другият лазер – на Е2 прехода и измененията на съотношенията между честотите на лазерите (по технически причини се използвали инфрачервени лазери, които трябвало да имат удвоена честота, за да възбудят оптичните преходи E2 и E3).
За получаване на резултат физиците провели експеримент в продължение на 7 години. В резултат бил направен извод, че съотношението между масите на протона и електрона няма никакви забележими изменения, с относителна грешка от няколко единици 10-16. Това означава, че ако все пак има изменение на това съотношение, то то е по-малко от една милионна за времето на съществуване на Слънчевата система (около 5 млрд. години).
Тези изследвания поставят основата за използването на итербия (171Yb) в качеството на оптичен стандарт на честотата, който потенциално би могъл да замени съществуващия цезиев стандарт на честотата.
Резултатите от изследването са публикувани в сп. Physical Review Letters (1, 2).
