Возрастание значения постоянной планка

В 1972 г. величина этой константы была объявлена постоянной по определению. Как можно объяснить уменьшение этой константы в период с 1928 по 1945 гг.? Если речь идет только об ошибке в экспериментах, почему в этот период все результаты, полученные различными исследователями и при использовании различных методов, настолько хорошо согласуются друг с другом? И почему ошибка всегда оказывалась столь низкой?
Суть одного из возможных объяснений сводится к тому, что скорость света в вакууме на самом деле время от времени меняет свое значение. Вероятно, в течение примерно двадцати лет она действительно имела меньшую величину. Однако такую возможность никто, кроме де Брея, всерьез не рассматривал.

Уверенность в том, что данная константа должна иметь фиксированное значение, оказалась настолько сильна, что полученные в тот период экспериментальные данные удостоились лишь весьма поверхностного объяснения. Этот примечательный эпизод в науке в настоящее время принято объяснять психологическим фактором:
В экспериментах той эпохи существовала заметная тенденция к всеобщему согласию, которую кто-то деликатно назвал "блокировкой интеллектуальной фазы". Специалисты по метрологии, как правило, хорошо осознают возможность такого рода эффектов. Всегда найдутся услужливые коллеги, которые будут рады направить вас в нужном направлении! (...) Помимо выявления ошибок, близкое завершение эксперимента приносит более частые и более активные контакты с заинтересованными коллегами, а подготовка к написанию статьи или отчета открывает новые виды на будущее. Все эти обстоятельства, вместе взятые, и предотвращают появление "окончательного результата", заметно отличающегося от общепринятых воззрений.

Следовательно, очень легко выдвинуть и трудно опровергнуть подозрение в том, что исследователь перестает заботиться об уточнении своих результатов, если они оказываются близкими к результатам других ученых257.
Но если предшествующие изменения в численных значениях фундаментальных констант приписывать психологии экспериментаторов, тогда, по справедливому замечанию других выдающихся специалистов в области метрологии, возникает довольно неудобный вопрос: можем ли мы быть уверены, что этот психологический фактор не сохраняет свое значение и в наши дни?258 Однако по отношению к численному значению скорости света в вакууме этот вопрос в наши дни считается чисто академическим. Теперь не только сама эта константа объявляется постоянной по определению, но и все единицы измерения, в которых фигурирует данный параметр, — расстояние и время — теперь определяются через скорость света в вакууме.
Секунда обычно определялась как 1/86400 доля средних солнечных суток, но теперь ее определяют как интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений внешними полями. И метр с 1983 г. был определен через скорость света в вакууме, по определению постоянной.
Как указал Брайан Петли, вполне возможно, что
...скорость света в вакууме может (а) меняться со временем, (б) зависеть от направления в пространстве или (в) реагировать на вращение Земли вокруг Солнца, движение внутри Галактики или какие-то другие факторы259.
Тем не менее, если бы изменения этой фундаментальной константы действительно происходили, мы бы этого не заметили. В настоящее время мы находимся внутри искусственной системы, где подобные изменения не только невозможны по определению, но и не могут быть обнаружены на практике из-за способа, которым определяются единицы измерения. Любое изменение в численном значении скорости света в вакууме изменило бы и единицы измерения таким образом, что эта скорость, выраженная в км/с, осталась бы прежней.
ВОЗРАСТАНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА
Постоянная Планка (h) является фундаментальной константой квантовой физики и связывает частоту излучения ( ) с квантом энергии (Е) в соответствии с формулой E-h . Она имеет размерность действия (то есть произведения энергии на время).

Нам твердят, что квантовая теория — образец блестящего успеха и удивительной точности: Законы, открытые при описании квантового мира (...) являются наиболее верными и точными инструментами из всех, когда-либо применявшихся для успешного описания и предсказания Природы. В некоторых случаях совпадение между теоретическим прогнозом и реально полученным результатом настолько точно, что расхождения не превышают одной миллиардной части260.
Подобные утверждения я слышал и читал так часто, что привык считать, будто численное значение постоянной Планка должно быть известно с точностью до самого дальнего знака после запятой. Кажется, что так оно есть: стоит лишь заглянуть в какой-нибудь справочник по этой теме. Однако иллюзия точности исчезнет, если открыть предыдущее издание того же справочника. На протяжении многих лет официально признанная величина этой фундаментальной константы изменялась, демонстрируя тенденцию к постепенному возрастанию (ил.

16).
Максимальное изменение значения постоянной Планка отмечалось с 1929 по 1941 гг., когда ее величина возросла более чем на 1%. В значительной степени это увеличение было вызвано существенным изменением экспериментально измеренного заряда электрона, е. Измерения постоянной Планка не дают непосредственных значений данной константы, поскольку при ее определении необходимо знать величину заряда и массу электрона. Если одна или тем более обе последние константы изменяют свои величины, изменяется и величина постоянной Планка.
Ил. 16. Лучшие результаты измерения постоянной Планка в период с 1919 по 1988 гг.

Во введении к третьей части книги я уже упоминал об экспериментах Милликена по определению заряда электрона. Как выяснилось, именно сложность точного определения элементарного заряда затрудняет точное вычисление постоянной Планка. Даже в том случае, когда отдельные исследователи в своих экспериментах определяли значительно большую величину этого заряда, их сообщения старались не замечать.

Огромная известность и авторитет Милликена предопределили уверенность в том, что вопрос о величине заряда электрона уже получил вполне определенный ответ261. В течение примерно двадцати лет исследователи предпочитали пользоваться величиной, которую определил Милликен, но появлялось все больше и больше доказательств того, что реальная величина заряда электрона превышает официально признанную. Ричард Фейнман высказался по этому поводу так:
Интересно проследить историю измерений заряда электрона после Милликена. Если построить график этих измерений как функцию времени, видно, что каждый следующий результат чуть выше прдыдущего, и так до тех пор, пока результаты не остановились на некотором более высоком уровне. Почему же сразу не обнаружили, что число несколько больше?

Ученые стыдятся этой истории, так как очевидно, что происходило следующее: когда получалось число, слишком отличающееся от результата Милликена, экспериментаторы начинали искать у себя ошибку. Когда же результат не очень отличался от величины, полученной Милликеном, он не проверялся так тщательно. И вот слишком далекие числа исключались и т.п.262.
В конце 30-х гг. расхождения в результатах больше нельзя было игнорировать, но нельзя было и просто отбросить величину, представленную Милликеном и давно признанную учеными. Вместо этого заряд электрона скорректировали за счет введения новой величины — вязкости воздуха, важной переменной в опыте с каплями масла. В результате величина заряда приблизилась к имеющимся новым значениям этой константы263. В начале 40-х гг. были получены еще более высокие значения этой константы, что привело к новой переоценке имевшейся на тот момент официально признанной величины. Разумеется, нашлись причины для новой корректировки результата, полученного Милликеном, позволяющей подогнать его к новым данным264.

Каждое увеличение величины заряда электрона е влекло за собой увеличение численного значения постоянной Планка.
Интересно отметить, что значение этой фундаментальной константы постоянно возрастало в период с 50-х до 70-х гг. (таблица 3). Каждое возрастание превышало допустимую погрешность при определении этой константы в предыдущих экспериментах. Самые последние результаты измерений показывают небольшое уменьшение постоянной Планка.
Таблица 3
ВЕЛИЧИНА ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА,
ИЗМЕРЕННАЯ В ПЕРИОД С 1951 ПО 1988 гг.
(ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ)
Автор
Дата Постоянная Планка
(х10-34Дж/с)

Берден и Уотте	1951	6,623 63 0,000 16
Коэн и др.	1955	6,625 17 0,000 23
Кондон	1963	6,625 60 0,000 17
Коэн и Тейлор	1973	6,626 176 0,000 036
Коэн и Тейлор	1988	6,626 075 5 0,000004 0

Было сделано несколько попыток обнаружить изменение постоянной Планка по красному смещению спектров излучения сильно удаленных квазаров и звезд. Суть идеи заключалась в том, что, если бы величина этой фундаментальной константы изменилась, изменение можно было бы обнаружить, сравнивая излучение, возраст которого превышал несколько миллиаров лет, с намного более поздним излучением от сравнительно близко расположенных объектов.

Содержание раздела