なぜ未来は過去に似ていなければならないのですか？まあ、一つには、それはいつもそうです。しかし、それ自体は過去からの観察です。哲学者デイビッド・ヒュームが 18 世紀半ばに指摘したように、循環論理に陥らずに、過去の経験を使って未来がそれに似ていると主張することはできません。さらに、物理学者は、自然界の特定の基本定数がなぜそのような値を持っているのか、またはそれらの値が時間の経過とともに一定のままであるべきなのかを説明できないままです。
この問題は、特に科学者にとって厄介な問題です。一つには、現実の基本的な性質が絶えず変化していると、仮説、検証、および修正の科学的方法は失敗するでしょう。そして、科学者はもはや未来や過去の再構築について予測したり、完全な自信を持って過去の実験に頼ることができなくなりました.しかし、科学にも切り札があります。哲学とは異なり、測定しようとすることができます。 自然の法則とそれらの法則をパラメータ化する定数が変化しているかどうか。
微細構造定数 α は、自然の基本定数の中で最も遍在し、重要なものの 1 つです。光と物質の相互作用の強さを支配します。それが現在の約 137 分の 1 の値から少しでも異なっていれば、宇宙は実際には非常に異なって見え、ほぼ確実に生命を寄せ付けないものになるでしょう。物理法則では α が時間とともに変化することを許容していますが、実際に変化していると考えた人はほとんどいませんでした。つまり、科学者がクエーサーと呼ばれる非常に明るく非常に遠くにある天体から私たちに到達する光の分析を行った1999年までです。
この分析は、すべての元素の原子が、α の値に密接に依存する方法で、特定の色の光を優先的に吸収または放出するという事実を利用しました。 .これらの吸収と発光は、プリズムが白色光を虹色に分割するときのように、光がスペクトルに分割されるときに明るい線または暗い線として見ることができます。クエーサーからの光がガス雲を通り抜けて私たちに届くと、ガス雲内の特定の原子が光のスペクトルに暗い吸収線を刻み込み、実験室で生成および測定されたのと同じ原子吸収線と比較されました。
研究者が驚いたことに、その太古の光のスペクトルを実験室で生成されたスペクトルと比較したところ、食い違いが見つかりました。吸収線にわずかな不一致がありました。これは、ガス雲によるクエーサー光の吸収が起こった数十億年前に、α 現在よりも10万分の1ほど小さかった。つまり、α 過去数十億年の間にわずかに増加しました。
α 変更の可能性 天体物理学の環境について同じ仮定に頼ることなく、天文学の発見を確認または矛盾させることができる補完的なアプローチを求めて物理学者を奪った爆弾でした.彼らにとって幸いなことに、何十億年も前の物理学がどのように機能していたかを観察するために、天からの古代の星の光を見る必要はありません。足元の地面を見ることもできます。地球は 40 億年以上前から存在しており、その古代の鉱物堆積物は、数十億年前に起こったプロセスの別の記録を提供します。 αのバリエーション 鉱床に見られるさまざまな放射性同位体の崩壊率の変動として現れるでしょう。最良の測定値は、数十年前に偶然発見された 18 億年前の原子炉から得られました。
1972 年、フランスの核科学者は、アフリカのガボンのオクロ地域にある鉱山からのウラン鉱石のサンプルに奇妙なものを発見しました。ウラン 235 (核爆弾や原子炉で使用される同位体) とウラン 238 (より一般的なウラン同位体) の比率は、地質堆積物で通常見られるものよりも小さかった。最近の人間の活動がなければ、この比率は、地球が形成された原始の塵の雲にどれだけのウラン 235 が存在するか、およびそれからの経過時間にのみ依存するはずであるため、これは非常に不可解でした。科学者たちは、オクロ岩をより詳細に分析したところ、放射性物質が豊富に含まれていることも発見しました。岩石は、強力で持続的な古代の核反応をホストしていました.
自然はどのようにして地球の地殻に原子炉を作ることができたのでしょうか?人工原子炉は、あらゆる種類の封じ込めと安全インフラに依存して原子力発電を行いますが、基本的に、自律的な核分裂反応に必要なのは、少なくとも 3 パーセントのウラン 235 である十分な量のウラン サンプルだけです。次に、水を加えるだけで、ウランの放射性崩壊によって生成された中性子が集中して核反応が促進されます。今日のウラン 235 の割合は、自然の原子炉が自然に発生するには低すぎますが、常にそうであるとは限りませんでした。ウラン 235 はウラン 238 よりも速く崩壊するため、時間を遡るとその割合が増加します。過去 20 億年で、核反応が持続できる臨界点に達します。
運転中、オクロ原子炉は大量の中性子を生成し、そのうちのいくつかは逃げ出し、周囲の岩石中の微量同位体によって捕捉されました。これは α の値に非常に敏感なプロセスです。 、微細構造定数。今日のオクロ鉱床で見つかったさまざまな同位体の相対量を調べることで、科学者は α の値を決定しました 原子炉が稼働していたとき。誤差の範囲内で、今日と同じでした。天と地は遠い過去について相反する物語を私たちに語っているように見えました.
しかし、天文学的実験と地質学的実験はどちらも、それなりに厄介でした。それぞれが、空間的にも時間的にも、私たちから非常に遠く離れた環境に関する多数の仮定に依存していました.よりクリーンな測定を実現するために、研究者は完全に制御できる環境、つまり自分の研究室に目を向けました。 α の値に対する原子スペクトルの感度は異なります (場合によっては大幅に異なります)。 .これらのスペクトルを経時的に測定することで、科学者は α の時間変化を測定できます。 .問題は、これらの測定値が有用であるためには、どれくらいの期間持続する必要があるかということです。
答えはそれほど長くはありません。吸収スペクトルと発光スペクトルを測定する科学である現代の分光法は、非常に正確です。数か月または数年にわたる測定が α の変化率を制約するほど正確です オクロやクエーサーの測定値よりもはるかに優れています。これらの実験室での測定により、少なくとも今日では α 変化していません。これらの測定値の中で最も感度が高いと判断された場合、α 1000 万分の 1 未満の割合で変化しているに違いありません。より長い期間に外挿すると、100 億年にわたって 100 万分の 1 よりも優れた感度に対応し、1999 年のクエーサーの天文観測によって達成された感度よりも約 10 倍優れています。
それで、ケースは閉じられましたか？クエーサーのデータに何らかの欠陥があり、α 時間内に修正されることが証明されましたか？そうではありません。まず第一に、実験室での測定では α の現在の変化を除外していますが、 クエーサーのデータが示唆する規模であり、α の可能性については何も述べていません。 遠い過去の変化 — クエーサー データが関連する期間。第 2 に、新しい天文データによって状況が予想外に複雑になりました。 1999 年の最初の論文を執筆したのと同じグループによって 2011 年に発表された、新たに測定された一連のクエーサー スペクトルの分析では、α 遠い昔は少し大きかった 現在の価値よりも。これは、以前のより小さな天文観測とは対照的です。 遠い過去の α 上で説明した。
これらの相反する過去の α の値のみに基づく 、天文学的な結果は単に信頼できないと結論付けたくなるかもしれませんが、話はそれよりも微妙です.小さい過去 α をもたらした観測 北半球のハワイにある望遠鏡からのものでしたが、最近の観測ではより大きな過去 α が得られました。 南半球のチリの望遠鏡から来たので、2つの望遠鏡は空の広く離れた方向を見ました.すべてのデータを組み合わせて分析すると、α の時間変化ではなく、 、これらの観測には空間的な変動が見られます — α の値 ある方向を深く見るほど大きくなり、反対方向を見ると小さくなります。空間を深く見るほど、時間が遠くに見えるため、空間変動は、1 つの方向のみに沿って調べた場合、時間変動を模倣します。
変化する微細構造定数の探索は、最も基本的なレベルで時間とともに変化している可能性のある宇宙を考察し、特徴付けることがいかに非常に難しいかを反映しています。私たちは常に現在の測定を行うため、データの解釈は、私たちが存在し、測定しようとしている基盤から自分自身を解き明かそうとするときに、必然的にいくつかの仮定を行う必要があります. αの究極の真実が何であれ であることが判明しましたが、その物語はまだ書かれています。
Igor Teper は物理学者であり作家です。
