Вчені перевірять гіпотезу про те, що кожен атом у Всесвіті унікальний

Один із базових принципів сучасної фізики стверджує: всі атоми одного ізотопу в однаковому квантовому стані є абсолютно ідентичними. На цьому постулаті тримається стандартна модель фізики частинок. Однак фізик Марк Райзен із Техаського університету в Остіні поставив під сумнів цю аксіому — і запропонував конкретний експериментальний протокол, щоб перевірити її вперше в історії науки.

Згідно з усталеною теорією, атоми можуть відрізнятися лише положенням у просторі, тоді як їхня внутрішня структура вважається однаковою. Проте деякі сучасні гіпотези припускають існування прихованих внутрішніх параметрів, які робили б кожен атом унікальним. Зокрема, йдеться про магнітний момент атомного ядра — мікроскопічні флуктуації магнітного поля, що виникають через обертання ядра. Навіть у атомів одного ізотопу ці характеристики теоретично можуть незначно відрізнятися.

Райзен наголошує: у фундаментальних законах фізики немає прямої вимоги, щоб усі атоми мали абсолютно однаковий ядерний магнітний момент. Отже, принцип повної нерозрізненності частинок може бути не властивістю природи, а лише результатом теоретичних припущень. Для пояснення цієї ідеї вчений вдається до аналогії з генетично ідентичними близнюками — зовні невідрізнюваними, але все ж несхожими при детальнішому аналізі.

Свою роботу Райзен опублікував у журналі Physics Let­ters B. Дослідник пропонує зосередитися на пошуку флуктуацій ядерного магнітного моменту за допомогою пар стабільних ізотопів із дуже близькими властивостями. Їх утримуватимуть в іонних пастках, що дозволяють проводити надточні вимірювання впродовж тривалого часу. Ключова відмінність від звичайної практики — замість багаторазового дослідження одного й того самого іона необхідно вимірювати якомога більше різних іонів, приблизно по одному на день в одній вакуумній камері.

Окрім цього, фізик припускає, що атомні переходи, зокрема зміни ядерного магнітного моменту, можуть з часом варіюватися — через внутрішні параметри ядра або особливості розподілу електронного заряду. Для перевірки цього він пропонує використати подвійний атомний годинник зі ступінчастою схемою вимірювань, здатний порівнювати різні атомні переходи з виключно високою точністю. Такий прилад потенційно зможе зафіксувати гіпотетичне «старіння» електронних переходів.

Щоб досягти необхідної точності, Райзен планує застосовувати лазерне охолодження та захоплення окремих ізотопів усередині атомного годинника. Ця технологія дозволить фіксувати мінімальні коливання енергетичних рівнів атомів та аналізувати зміни їхніх ядерних магнітних моментів. Попередні роботи вченого вже були пов’язані з охолодженням і утриманням атомів, а також із методами контролю захоплених частинок — це стало основою для нового протоколу.

Якщо варіації між атомами одного ізотопу вдасться виявити, це означатиме, що кожен атом у Всесвіті є унікальним — і один із наріжних каменів сучасної фізики потребуватиме перегляду. Наступний крок — практична реалізація запропонованого методу, яка має дати відповідь на питання, що досі залишалося поза увагою експериментальної науки.