ثوابت الذرة بلا أبعاد. الثوابت غير الدائمة
دعونا نلخص بعض النتائج. يحتوي الكتاب المرجعي "جداول الكميات المادية" (م: أتوميزدات ، 1976) على 1005 صفحة من النص وملايين عديدة من الأرقام. كيف يمكن التعامل معهم؟
تنقسم هذه الكميات إلى أربعة أنواع على الأقل.
أ) وحدات القياس الطبيعية ، أو نقاط الأطياف المحددة مادياً. هذه ليست أرقامًا ، ولكنها كميات مثل G ، c ، h ، m e ، e (شحنة الإلكترون). هذه هي خصائص الأبعاد لبعض الظواهر التي يمكن إعادة إنتاجها عدة مرات مع بدرجة عاليةصحة. هذا انعكاس لحقيقة أن الطبيعة تكرر المواقف الأولية في سلسلة ضخمة. أدت التأملات في هوية اللبنات الأساسية المماثلة للكون أحيانًا إلى أفكار مادية عميقة مثل إحصائيات بوز-آينشتاين وفيرمي-ديراك. فكرة ويلر الرائعة أن جميع الإلكترونات متطابقة لأنها أقسام لحظية من خط عالمي متشابك في كرة من إلكترون واحد ، أدت فاينمانإلى تبسيط أنيق للتقنية التخطيطية للحسابات في نظرية المجال الكمومي.
ب) ثوابت صحيحة أو بلا أبعاد. هذه هي نسبة عدة نقاط محددة على الطيف لكمية من نفس البعد ، على سبيل المثال ، نسبة كتل الجسيمات الكهربائية: لقد ذكرنا بالفعل م ص / م. إن تحديد الأبعاد المختلفة ، مع مراعاة القانون الجديد ، أي تقليل مجموعة الأبعاد ، يؤدي إلى توحيد أطياف مختلفة سابقًا وإلى الحاجة إلى شرح أرقام جديدة.
على سبيل المثال ، تولد الأبعاد m e و c و h مجموعة نيوتن وبالتالي تؤدي إلى نفس الوحدات الذرية الطبيعية للأبعاد M و L و T بالإضافة إلى وحدات Planck. لذلك فإن علاقتهم بوحدات بلانك تحتاج إلى تفسير نظري ، لكن كما قلنا ، هذا مستحيل طالما لا توجد نظرية (G، c، h). ومع ذلك ، في (m e، c، h) - النظرية - الديناميكا الكهربية الكمية - هناك كمية بلا أبعاد ، تدين قيمتها الكهروديناميكية الكمومية الحديثة بوجودها بمعنى معين للكلمة. دعونا نضع إلكترونين على مسافة h / m e c (ما يسمى بطول موجة كومبتون للإلكترون) ونقيس نسبة طاقة تنافرهما الكهروستاتيكي إلى الطاقة m e c 2 المكافئة لباقي كتلة الإلكترون. تحصل على الرقم أ \ u003d 7.2972 × 10 -3 ≈ 1/137. هذا هو ثابت الهيكل الدقيق الشهير.
تصف الإلكتروديناميكا الكمية ، على وجه الخصوص ، العمليات التي لا يتم فيها حفظ عدد الجسيمات: يخلق الفراغ أزواجًا من الإلكترون والبوزيترون ، وتفنيها. نظرًا لحقيقة أن طاقة الإنتاج (لا تقل عن 2m e c 2) أكبر بمئات المرات من طاقة تفاعل Coulomb المميز (نظرًا لقيمة a) ، فمن الممكن تنفيذ مخطط حساب فعال يتم فيه لا يتم تجاهل هذه التصحيحات الإشعاعية تمامًا ، ولكنها أيضًا لا "تفسد حياة" المنظر بشكل ميؤوس منه.
لا يوجد تفسير نظري لقيمة α. يمتلك علماء الرياضيات أطيافهم الرائعة: أطياف المشغلين الخطيين المتميزين لمجموعات لي البسيطة في تمثيلات غير قابلة للاختزال ، وأحجام المجالات الأساسية ، وأبعاد التنادد والمساحات المشتركة ، وما إلى ذلك مما يحد من الاختيار. لكن العودة إلى الثوابت.
النوع التالي ، الذي يشغل مساحة كبيرة في الطاولات ، هو:
ج) عوامل التحويل من مقياس إلى آخر ، على سبيل المثال ، من الذري إلى "الإنسان". وتشمل هذه: الرقم المذكور بالفعل أفوجادرو N 0 = 6.02 x 10 23 - في الأساس جرام واحد ، معبرًا عنه بوحدات "كتلة البروتون" ، على الرغم من أن التعريف التقليدي يختلف قليلاً ، وكذلك أشياء مثل السنة الضوئية بالكيلومترات. الأكثر إثارة للاشمئزاز بالنسبة لعالم الرياضيات هنا ، بالطبع ، هي عوامل التحويل من وحدة لا معنى لها فيزيائيًا إلى أخرى ، تمامًا كما لا معنى لها: من ذراع إلى قدم أو من ريومور إلى فهرنهايت. هذه هي الأرقام الأكثر أهمية على المستوى البشري في بعض الأحيان ؛ كما لاحظت ويني ذا بوه بحكمة: "لا أعرف عدد اللترات والأمتار والكيلوجرامات الموجودة فيها ، لكن النمور ، عندما تقفز ، تبدو ضخمة بالنسبة لنا".
د) "أطياف منتشرة". هذه سمة من سمات المواد (ليست عناصر أو مركبات نقية ، بل درجات تكنولوجية عادية من الفولاذ والألمنيوم والنحاس) ، والبيانات الفلكية (كتلة الشمس ، وقطر المجرة ...) والعديد من نفس النوع. تنتج الطبيعة الأحجار والكواكب والنجوم والمجرات ، ولا تهتم بتماثلها ، على عكس الإلكترونات ، ولكن لا تزال خصائصها تتغير فقط ضمن حدود معينة إلى حد ما. التفسيرات النظرية لهذه "المناطق المسموح بها" ، عندما تكون معروفة ، مثيرة للاهتمام ومفيدة بشكل ملحوظ.
مانين يو. 177-179.
ثابت التفاعل
مادة من الموسوعة الروسية المجانية "التقليد"
ثابت التفاعل(في بعض الأحيان المصطلح ثابت اقتران) هي معلمة في نظرية المجال تحدد القوة النسبية لأي تفاعل بين الجسيمات أو المجالات. في نظرية المجال الكمي ، ترتبط ثوابت التفاعل بالرؤوس في مخططات التفاعل المقابلة. كثوابت تفاعل ، يتم استخدام كل من المعلمات غير ذات الأبعاد والكميات ذات الصلة التي تميز التفاعلات وذات الأبعاد. ومن الأمثلة على ذلك التفاعل الكهرومغناطيسي عديم الأبعاد والكهرباء المقاسة بوحدة C.
|
مقارنة التفاعلات
إذا اخترنا كائنًا يشارك في جميع التفاعلات الأساسية الأربعة ، فإن قيم ثوابت التفاعل عديم الأبعاد لهذا الكائن ، التي تم العثور عليها من قاعدة عامة، ستظهر القوة النسبية لهذه التفاعلات. غالبًا ما يستخدم البروتون ككائن على مستوى الجسيمات الأولية. الطاقة الأساسية لمقارنة التفاعلات هي الطاقة الكهرومغناطيسية للفوتون ، بحكم تعريفها يساوي:
حيث - ، - سرعة الضوء ، - الطول الموجي للفوتون. اختيار طاقة الفوتون ليس عرضيًا ، لأن الأساس العلم الحديثيقع تمثيل الموجة على أساس الموجات الكهرومغناطيسية. بمساعدتهم ، يتم إجراء جميع القياسات الأساسية - الطول والوقت بما في ذلك الطاقة.
تفاعل الجاذبية
تفاعل ضعيف
يمكن تمثيل الطاقة المرتبطة بالتفاعل الضعيف بالشكل التالي:
أين هي الشحنة الفعالة للتفاعل الضعيف ، هي كتلة الجسيمات الافتراضية التي تعتبر حاملة للتفاعل الضعيف (W- و Z- بوزونات).
يتم التعبير عن مربع الشحنة الفعالة للتفاعل الضعيف للبروتون بدلالة ثابت فيرمي J m 3 وكتلة البروتون:
على مسافات صغيرة بما فيه الكفاية ، يمكن إهمال الأسي في طاقة التفاعل الضعيف. في هذه الحالة ، يتم تعريف ثابت التفاعل الضعيف بلا أبعاد على النحو التالي:
التفاعل الكهرومغناطيسي
يوصف التفاعل الكهرومغناطيسي بين بروتونين غير متحركين بالطاقة الكهروستاتيكية:
أين - ، - .
تحدد نسبة هذه الطاقة إلى طاقة الفوتون ثابت التفاعل الكهرومغناطيسي ، والمعروف باسم:
تفاعل قوي
على مستوى الهادرونات في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، يعتبر تفاعل "متبقي" يدخل في الهادرونات. من المفترض أن الغلوونات ، كحاملات للتفاعل القوي ، تولد ميزونات افتراضية في الفراغ بين الهادرونات. في نموذج Pion-nucleon Yukawa ، يتم شرح القوى النووية بين النيوكليونات كنتيجة لتبادل البيونات الافتراضية ، وتكون طاقة التفاعل على الشكل التالي:
أين هي الشحنة الفعالة لتفاعل pion-nucleon pseudoscalar ، هي كتلة pion.
ثابت التفاعل القوي بلا أبعاد هو:
الثوابت في نظرية المجال الكمي
غالبًا ما يتم تعريف تأثيرات التفاعل في نظرية المجال باستخدام نظرية الاضطراب ، حيث يتم توسيع الوظائف في المعادلات في قوى التفاعل الثابت. عادة ، بالنسبة لجميع التفاعلات ، باستثناء التفاعلات القوية ، يكون ثابت التفاعل أقل بكثير من الوحدة. هذا يجعل تطبيق نظرية الاضطراب فعالاً ، لأن المساهمة من الشروط الأعلى للتوسعات تتناقص بسرعة ويصبح حسابها غير ضروري. في حالة وجود تفاعل قوي ، تصبح نظرية الاضطراب غير مناسبة وطرق حساب أخرى مطلوبة.
أحد تنبؤات نظرية المجال الكمومي هو ما يسمى بتأثير "الثوابت العائمة" ، والذي وفقًا له تتغير ثوابت التفاعل ببطء مع زيادة الطاقة المنقولة أثناء تفاعل الجسيمات. لذلك ، يزداد ثابت التفاعل الكهرومغناطيسي ، ويقل ثابت التفاعل القوي مع زيادة الطاقة. تمتلك الكواركات في الديناميكا الكمومية ثابت تفاعل قوي خاص بها:
أين هي شحنة اللون الفعالة للكوارك الذي يصدر غلوونات افتراضية للتفاعل مع كوارك آخر. مع انخفاض المسافة بين الكواركات ، التي تحققت في تصادم الجسيمات ذات الطاقة العالية ، من المتوقع حدوث انخفاض لوغاريتمي وإضعاف للتفاعل القوي (تأثير الحرية المقاربة للكواركات). على مقياس الطاقة المنقولة لترتيب كتلة الطاقة من Z-boson (91.19 GeV) وجد أن 
على نفس مقياس الطاقة ، يزداد ثابت التفاعل الكهرومغناطيسي إلى قيمة في حدود 1/127 بدلاً من -1 / 137 عند الطاقات المنخفضة. من المفترض أنه في الطاقات الأعلى ، حوالي 10 18 جيجا إلكترون فولت ، ستقترب قيم ثوابت التفاعلات الجاذبية والضعيفة والكهرومغناطيسية والقوية للجسيمات من بعضها البعض وقد تصبح متساوية تقريبًا مع بعضها البعض.
الثوابت في نظريات أخرى
نظرية الأوتار
في نظرية الأوتار ، لا تعتبر ثوابت التفاعل ثوابت ، ولكنها ديناميكية بطبيعتها. على وجه الخصوص ، تبدو نفس النظرية في الطاقات المنخفضة وكأن الأوتار تتحرك في عشرة أبعاد ، وبطاقات عالية - في أحد عشر. التغيير في عدد القياسات مصحوب بتغيير في ثوابت التفاعل.
جاذبية قوية
جنبا إلى جنب مع القوى الكهرومغناطيسية تعتبر المكونات الرئيسية للتفاعل القوي في. في هذا النموذج ، بدلاً من النظر في تفاعل الكواركات والغلونات ، يتم أخذ حقلين أساسيين فقط في الاعتبار - الجاذبية والكهرومغناطيسية ، اللذان يعملان في المادة المشحونة والكتلة للجسيمات الأولية ، وكذلك في الفراغ بينهما. في الوقت نفسه ، يُفترض أن الكواركات والغلوونات ليست جسيمات حقيقية ، ولكن أشباه جسيمات تعكس الخصائص الكمومية والتناظرات الكامنة في المادة الهادرونيك. يقلل هذا النهج بشكل كبير من عدد المعلمات المجانية التي لا أساس لها من الصحة ، ولكنها مفترضة ، والتي تعد بمثابة سجل للنظريات الفيزيائية ، في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الأولية ، حيث يوجد على الأقل 19 معلمة من هذا القبيل.
والنتيجة الأخرى هي أن التفاعلات الضعيفة والقوية لا تعتبر تفاعلات ميدانية مستقلة. يتم تقليل التفاعل القوي إلى مجموعات من قوى الجاذبية والقوى الكهرومغناطيسية ، حيث تلعب تأثيرات تأخير التفاعل (مجالات الالتواء ثنائي القطب والمداري والقوى المغناطيسية) دورًا مهمًا. وفقًا لذلك ، يتم تحديد ثابت التفاعل القوي عن طريق القياس مع ثابت تفاعل الجاذبية:
من المفيد فهم الثوابت الأساسية بشكل عام. خذ على سبيل المثال سرعة الضوء. حقيقة أنها محدودة أمر أساسي ، وليس معناها. بمعنى أننا حددنا المسافة والوقت بحيث يكون الأمر كذلك. في الوحدات الأخرى ، سيكون الأمر مختلفًا.
ما هو إذن الأساسي؟ النسب الخالية من الأبعاد وقوى التفاعل المميزة ، والتي يتم وصفها بواسطة ثوابت التفاعل بلا أبعاد. بشكل تقريبي ، تميز ثوابت التفاعل احتمالية بعض العمليات. على سبيل المثال ، يميز الثابت الكهرومغناطيسي باحتمالية تبعثر الإلكترون على البروتون.
دعونا نرى كيف يمكننا منطقيا بناء كميات الأبعاد. يمكنك إدخال نسبة كتل البروتون والإلكترون وثابت معين للتفاعل الكهرومغناطيسي. سوف تظهر الذرات في كوننا. يمكنك أن تأخذ انتقالًا ذريًا محددًا وأخذ تردد الضوء المنبعث وقياس كل شيء في فترة تذبذبات الضوء. ها هي الوحدة الزمنية. سيطير الضوء خلال هذا الوقت لمسافة ما ، لذلك نحصل على وحدة للمسافة. يمتلك الفوتون الذي يحتوي على مثل هذا التردد نوعًا من الطاقة ، وقد تحولت وحدة طاقة. ومن ثم فإن قوة التفاعل الكهرومغناطيسي هي أن حجم الذرة يكون كثيرًا في وحداتنا الجديدة. نقيس المسافة كنسبة وقت طيران الضوء عبر الذرة إلى فترة التذبذب. هذه القيمة تعتمد فقط على قوة التفاعل. إذا حددنا الآن سرعة الضوء على أنها نسبة حجم الذرة إلى فترة التذبذب ، فسنحصل على رقم ، لكنه ليس أساسيًا. الثاني والمتر هما مقياسان مميزان للوقت والمسافة بالنسبة لنا. في نفوسهم ، نقيس سرعة الضوء ، لكن قيمته المحددة لا تحمل معنى ماديًا.
تجربة الفكر ، دعونا يكون هناك كون آخر ، حيث يكون المقياس أكبر بمرتين من كوننا بالضبط ، لكن جميع الثوابت والعلاقات الأساسية هي نفسها. ثم ستستغرق التفاعلات ضعف الوقت للتكاثر ، وستدرك الكائنات الشبيهة بالإنسان ثانية بنصف السرعة. بالطبع لا يشعرون بذلك. عندما يقيسون سرعة الضوء ، سيحصلون على نفس القيمة التي نحصل عليها. لأنهم يقيسون بالأمتار والثواني المميزة الخاصة بهم.
لذلك ، لا يعلق الفيزيائيون أهمية أساسية على حقيقة أن سرعة الضوء تبلغ 300000 كم / ثانية. وثابت التفاعل الكهرومغناطيسي ، ما يسمى بثابت الهيكل الدقيق (حوالي 1/137) متصل.
علاوة على ذلك ، بالطبع ، تعتمد ثوابت التفاعلات الأساسية (الكهرومغناطيسية ، التفاعلات القوية والضعيفة ، الجاذبية) المرتبطة بالعمليات المقابلة على طاقات هذه العمليات. التفاعل الكهرومغناطيسي على مقياس الطاقة لترتيب كتلة الإلكترون واحد ، وعلى مقياس ترتيب كتلة بوزون هيغز ، يكون مختلفًا ، أعلى. تزداد قوة التفاعل الكهرومغناطيسي مع الطاقة. ولكن كيف تتغير ثوابت التفاعل مع الطاقة يمكن حسابها من خلال معرفة نوع الجسيمات التي لدينا وما هي نسب خصائصها.
لذلك ، من أجل وصف التفاعلات الأساسية بشكل كامل على مستوى فهمنا ، يكفي معرفة مجموعة الجسيمات التي لدينا ، ونسب كتلة الجسيمات الأولية ، وثوابت التفاعل على مقياس واحد ، على سبيل المثال ، على مقياس كتلة الإلكترون ، ونسبة القوى التي يتفاعل معها كل جسيم معين هذا التفاعل ، في الحالة الكهرومغناطيسية هذا يتوافق مع نسبة الشحنات (شحنة البروتون تساوي شحنة الإلكترون ، لأن قوة تفاعل يتطابق الإلكترون مع الإلكترون مع قوة تفاعل الإلكترون مع البروتون ، إذا كانت أكبر بمرتين ، فإن القوة ستكون ضعف حجمها ، وتقاس القوة ، أكرر ، في احتمالات بلا أبعاد). السؤال يعود إلى سبب وجودهم.
كل شيء غير واضح هنا. يعتقد بعض العلماء أن نظرية أكثر أساسية ستظهر من خلالها ستتبع كيفية ارتباط الكتل والشحنات وما إلى ذلك. هذا الأخير ، بمعنى ما ، يتم الرد عليه من خلال النظريات الموحدة الكبرى. يعتقد بعض الناس أن مبدأ الإنسان يعمل. بمعنى ، إذا كانت الثوابت الأساسية مختلفة ، فإننا ببساطة لن نكون موجودين في مثل هذا الكون.
كم سيكون العالم غريبًا بشكل لا يمكن تصوره إذا تغيرت الثوابت الفيزيائية! على سبيل المثال ، ما يسمى بثابت البنية الدقيقة يساوي تقريبًا 1/137. إذا كانت لها قيمة مختلفة ، فربما لن يكون هناك فرق بين المادة والطاقة.
هناك أشياء لا تتغير أبدا. يسميها العلماء بالثوابت الفيزيائية ، أو ثوابت العالم. من المعتقد أن سرعة الضوء $ c $ ، وثابت الجاذبية $ G $ ، وكتلة الإلكترون $ m_e $ وبعض الكميات الأخرى تظل دائمًا كما هي في كل مكان. إنها تشكل الأساس الذي تقوم عليه النظريات الفيزيائية وتحدد بنية الكون.
يعمل الفيزيائيون بجد لقياس ثوابت العالم بدقة أكبر من أي وقت مضى ، لكن لم يتمكن أحد حتى الآن من شرح بأي شكل من الأشكال لماذا تكون قيمهم على ما هي عليه. في نظام SI $ c = 299792458 $ m / s ، $ G = 6.673 \ cdot 10 ^ (- 11) N \ cdot $ m $ ^ 2 $ / kg $ ^ 2 $ ، $ m_e = 9.10938188 \ cdot10 ^ (- 31) $ kg - الكميات غير المترابطة تمامًا والتي لها خاصية مشتركة واحدة فقط: إذا تغيرت قليلاً على الأقل ، فسيكون وجود هياكل ذرية معقدة ، بما في ذلك الكائنات الحية ، موضع تساؤل كبير. أصبحت الرغبة في تبرير قيم الثوابت أحد الحوافز لتطوير نظرية موحدة تصف بشكل كامل جميع الظواهر الموجودة. بمساعدتها ، كان العلماء يأملون في إظهار أن كل ثابت عالمي يمكن أن يكون له قيمة واحدة ممكنة فقط ، بسبب الآليات الداخلية التي تحدد التعسف الخادع للطبيعة.
أفضل مرشح لعنوان نظرية موحدة هو M-Theory (نوع من نظرية الأوتار) ، والتي يمكن اعتبارها متسقة إذا لم يكن للكون أربعة أبعاد للزمكان ، ولكن أحد عشر. لذلك ، قد لا تكون الثوابت التي نلاحظها أساسية حقًا. توجد الثوابت الحقيقية في فضاء متعدد الأبعاد كامل ، ولا نرى سوى "صورها الظلية" ثلاثية الأبعاد.
نظرة عامة: الثوابت العالمية
1. في العديد من المعادلات الفيزيائية ، توجد كميات تعتبر ثابتة في كل مكان - في المكان والزمان.
2. في الآونة الأخيرة ، شك العلماء في ثبات ثوابت العالم. وبمقارنة نتائج ملاحظات الكوازارات والقياسات المختبرية ، استنتجوا ذلك العناصر الكيميائيةفي الماضي البعيد كانوا يمتصون الضوء بشكل مختلف عما يفعلونه اليوم. يمكن تفسير الاختلاف عن طريق تغيير عدة أجزاء من المليون من ثابت البنية الدقيقة.
3. إن تأكيد مثل هذا التغيير البسيط سيكون ثورة حقيقية في العلم. قد تتحول الثوابت المرصودة إلى مجرد "صور ظلية" للثوابت الحقيقية الموجودة في الزمكان متعدد الأبعاد.
في غضون ذلك ، توصل علماء الفيزياء إلى استنتاج مفاده أن قيم العديد من الثوابت يمكن أن تكون نتيجة أحداث عشوائية وتفاعلات بين الجسيمات الأولية في المراحل المبكرة من تاريخ الكون. تسمح نظرية الأوتار بوجود عدد ضخم ($ 10 ^ (500) $) من العوالم بمجموعات مختلفة من القوانين والثوابت المتوافقة مع ذاتها ( انظر: Landscape of String Theory، In the World of Science، No. 12، 2004.). حتى الآن ، ليس لدى العلماء أي فكرة عن سبب اختيار مجموعتنا. ربما ، نتيجة لمزيد من البحث ، سينخفض عدد العوالم الممكنة منطقيًا إلى واحد ، لكن من الممكن أن كوننا ليس سوى جزء صغير من الكون المتعدد ، حيث يتم تنفيذ حلول مختلفة لمعادلات نظرية موحدة ، ونلاحظ واحدًا فقط من المتغيرات لقوانين الطبيعة ( انظر الأكوان المتوازية ، في عالم العلوم ، رقم 8 ، 2003في هذه الحالة ، لا يوجد تفسير للعديد من ثوابت العالم ، باستثناء أنها تشكل مزيجًا نادرًا يسمح بتطور الوعي. ربما أصبح الكون الذي نلاحظه واحداً من العديد من الواحات المعزولة المحاطة بعدد لانهائي من الفضاء الخارجي الذي لا حياة له - مكان سريالي تهيمن فيه قوى الطبيعة الغريبة تمامًا علينا ، والجسيمات مثل الإلكترونات والهياكل مثل ذرات الكربون وجزيئات الحمض النووي هي ببساطة مستحيلة. محاولة الوصول إلى هناك كان يمكن أن تكون قاتلة.
تم تطوير نظرية الأوتار أيضًا لشرح التعسف الظاهر للثوابت الفيزيائية ، لذلك تحتوي معادلاتها الأساسية فقط على عدد قليل من المعلمات التعسفية. لكنها حتى الآن لا تفسر القيم المرصودة للثوابت.
حاكم موثوق
في الواقع ، استخدام كلمة "ثابت" ليس شرعيًا تمامًا. يمكن أن تتغير ثوابتنا في الزمان والمكان. إذا تغيرت الأبعاد المكانية الإضافية في الحجم ، فإن الثوابت في عالمنا ثلاثي الأبعاد ستتغير معها. وإذا نظرنا بعيدًا بما فيه الكفاية في الفضاء ، يمكننا أن نرى المناطق التي اتخذت فيها الثوابت قيمًا مختلفة. منذ الثلاثينيات تكهن العلماء بأن الثوابت قد لا تكون ثابتة. تعطي نظرية الأوتار هذه الفكرة معقولية نظرية وتجعل البحث عن عدم الثبات أكثر أهمية.
المشكلة الأولى هي أن إعداد المختبر نفسه يمكن أن يكون حساسًا للتغييرات في الثوابت. يمكن أن يزداد حجم جميع الذرات ، ولكن إذا أصبحت المسطرة المستخدمة للقياسات أطول أيضًا ، فلا يمكن قول أي شيء عن التغيير في حجم الذرات. يفترض المجربون عادةً أن معايير القياس (المساطر ، والأوزان ، والساعات) لم تتغير ، لكن لا يمكن تحقيق ذلك عند فحص الثوابت. يجب على الباحثين الانتباه إلى الثوابت عديمة الأبعاد - فقط الأرقام التي لا تعتمد على نظام الوحدات ، على سبيل المثال ، نسبة كتلة البروتون إلى كتلة الإلكترون.
هل يتغير الهيكل الداخلي للكون؟
ذات أهمية خاصة هي الكمية $ \ alpha = e ^ 2/2 \ epsilon_0 h c $ ، والتي تجمع بين سرعة الضوء $ c $ ، والشحنة الكهربائية للإلكترون $ e $ ، وثابت بلانك $ h $ ، وما إلى ذلك- يسمى فراغ العزل الكهربائي $ \ epsilon_0 $. يطلق عليه ثابت الهيكل الدقيق. تم تقديمه لأول مرة في عام 1916 من قبل أرنولد سومرفيلد ، الذي كان من أوائل الذين حاولوا التقديم ميكانيكا الكمإلى الكهرومغناطيسية: $ \ alpha $ يربط بين الخصائص النسبية (c) والكمية (h) للتفاعلات الكهرومغناطيسية (e) التي تتضمن الجسيمات المشحونة في الفضاء الفارغ ($ \ epsilon_0 $). أظهرت القياسات أن هذه القيمة هي 1 / 137.03599976 (حوالي 1/137).
إذا كان لـ $ \ alpha $ معنى مختلف ، فإن العالم كله سيتغير. سواء كانت أقل كثافة صلب، المكونة من الذرات ، ستنخفض (بما يتناسب مع $ \ alpha ^ 3 $) ، وسوف تنكسر الروابط الجزيئية عند درجات حرارة منخفضة ($ \ alpha ^ 2 $) ، ويمكن أن يزيد عدد العناصر المستقرة في الجدول الدوري ($ 1 / \ alpha $). إذا تبين أن $ \ alpha $ كبير جدًا ، فلا يمكن أن توجد نوى ذرية صغيرة ، لأن القوى النووية التي تربطها لن تكون قادرة على منع التنافر المتبادل للبروتونات. بالنسبة لـ $ \ alpha> 0.1 $ كربون لا يمكن أن يوجد.
التفاعلات النووية في النجوم حساسة بشكل خاص لـ $ \ alpha $. لكي يحدث الاندماج النووي ، يجب أن تخلق جاذبية النجم ما يكفي درجة حرارة عاليةلإجبار النوى على الاقتراب من بعضها البعض على الرغم من ميلها إلى التنافر. إذا كان $ \ alpha $ أكبر من 0.1 ، فسيكون الاندماج مستحيلًا (ما لم تكن ، بالطبع ، المعلمات الأخرى ، مثل نسبة كتلة الإلكترون وكتلة البروتون ، كما هي). إن التغيير في $ \ alpha $ بنسبة 4٪ فقط سيؤثر على مستويات الطاقة في قلب الكربون لدرجة أن حدوثه في النجوم سيتوقف ببساطة.
تطبيق التقنيات النووية
المشكلة التجريبية الثانية ، والأكثر خطورة ، هي أن قياس التغيرات في الثوابت يتطلب معدات عالية الدقة ، والتي يجب أن تكون ثابتة للغاية. حتى مع الساعات الذرية ، لا يمكن تتبع انجراف ثابت البنية الدقيقة إلا لبضع سنوات. إذا تغير $ \ alpha $ بأكثر من 4 $ \ cdot $ 10 ^ (- 15) $ في ثلاث سنوات ، فإن الساعة الأكثر دقة ستكون قادرة على اكتشاف ذلك. ومع ذلك ، لم يتم تسجيل أي شيء من هذا القبيل حتى الآن. على ما يبدو ، لماذا لا يتم تأكيد الثبات؟ لكن ثلاث سنوات للفضاء هي لحظة. قد تمر التغييرات البطيئة ولكن المهمة في تاريخ الكون دون أن يلاحظها أحد.
هيكل خفيف ودائم
لحسن الحظ ، وجد الفيزيائيون طرقًا أخرى للتحقق. في 1970s لاحظ علماء من هيئة الطاقة الذرية الفرنسية بعض السمات في التركيب النظائري للخام من منجم اليورانيوم في أوكلو في الغابون ( غرب افريقيا): تشبه نفايات مفاعل نووي. على ما يبدو ، منذ حوالي 2 مليار سنة ، تم تشكيل مفاعل نووي طبيعي في أوكلو ( انظر المفاعل الإلهي ، في عالم العلوم ، رقم 1 ، 2004).
في عام 1976 ، لاحظ ألكسندر شلياختر من معهد لينينغراد للفيزياء النووية أن أداء المفاعلات الطبيعية يعتمد بشكل حاسم على الطاقة الدقيقة للحالة المحددة لنواة السماريوم التي تلتقط النيوترونات. والطاقة نفسها مرتبطة بقوة بقيمة $ \ alpha $. لذلك ، إذا كان ثابت البنية الدقيقة مختلفًا قليلاً ، فلن يحدث أي تفاعل متسلسل. ولكنه حدث بالفعل ، مما يعني أنه على مدار الملياري سنة الماضية ، لم يتغير الثابت بأكثر من 1 دولار \ cdot $ 10 ^ (- 8) دولار. (يواصل الفيزيائيون الجدل حول النتائج الكمية الدقيقة بسبب عدم اليقين الحتمي بشأن الظروف في المفاعل الطبيعي).
في عام 1962 ، كان P. James E. Peebles و Robert Dicke من جامعة برينستون أول من طبق مثل هذا التحليل على النيازك القديمة: الوفرة النسبية للنظائر الناتجة عن تحللها الإشعاعي تعتمد على $ \ alpha $. يرتبط القيد الأكثر حساسية بتآكل بيتا في تحويل الرينيوم إلى الأوزميوم. وفقًا للعمل الأخير الذي قام به كيث أوليف من جامعة مينيسوتا وماكسيم بوسبيلوف من جامعة فيكتوريا في كولومبيا البريطانية ، اختلف $ \ alpha $ عن قيمته الحالية بمقدار $ 2 \ cdot $ 10 $ في الوقت الذي تشكلت فيه النيازك. ) $. هذه النتيجة أقل دقة من البيانات التي تم الحصول عليها في Oklo ، لكنها تعود إلى الوراء في الوقت المناسب ، حتى ظهورها النظام الشمسيقبل 4.6 مليار سنة.
لاستكشاف التغييرات المحتملة على مدى فترات زمنية أطول ، يجب على الباحثين النظر إلى السماء. يذهب الضوء من الأجسام الفلكية البعيدة إلى تلسكوباتنا لمليارات السنين ويحمل بصمة القوانين وثوابت العالم لتلك الأوقات عندما بدأ للتو رحلته وتفاعله مع المادة.
خطوط طيفية
انخرط علماء الفلك في قصة الثوابت بعد وقت قصير من اكتشاف النجوم الزائفة في عام 1965 ، والتي تم اكتشافها للتو وتم تحديدها على أنها مصادر ضوء ساطع تقع على مسافات كبيرة من الأرض. نظرًا لأن مسار الضوء من الكوازار إلينا طويل جدًا ، فإنه يعبر حتمًا الأحياء الغازية للمجرات الصغيرة. يمتص الغاز ضوء الكوازار بترددات محددة ، ويطبع رمزًا شريطيًا لخطوط ضيقة عبر طيفه (انظر الإطار أدناه).
البحث عن التغيرات في إشعاع الكوازار
عندما يمتص الغاز الضوء ، تقفز الإلكترونات الموجودة في الذرات من مستوى منخفض مستويات الطاقةإلى أعلى منهم. يتم تحديد مستويات الطاقة من خلال مدى قوة نواة الذرة في حمل الإلكترونات ، والتي تعتمد على قوة التفاعل الكهرومغناطيسي بينها ، وبالتالي على ثابت البنية الدقيقة. إذا كانت مختلفة في الوقت الذي تم فيه امتصاص الضوء ، أو في منطقة معينة من الكون حيث حدث ذلك ، فإن الطاقة المطلوبة لنقل الإلكترون إلى مستوى جديد ، والأطوال الموجية للتحولات الملاحظة في الأطياف ، يجب أن تختلف عما لوحظ اليوم في التجارب المعملية. تعتمد طبيعة التغيير في الأطوال الموجية بشكل حاسم على توزيع الإلكترونات في المدارات الذرية. لتغيير معين في $ \ alpha $ ، تنخفض بعض الأطوال الموجية ، بينما يزيد البعض الآخر. يصعب الخلط بين النمط المعقد للتأثيرات وأخطاء معايرة البيانات ، مما يجعل مثل هذه التجربة مفيدة للغاية.
عندما بدأنا العمل قبل سبع سنوات ، واجهتنا مشكلتين. أولاً ، لم يتم قياس الأطوال الموجية للعديد من الخطوط الطيفية بدقة كافية. ومن الغريب أن العلماء يعرفون الكثير عن أطياف الكوازارات التي تبعد مليارات السنين الضوئية عن أطياف العينات الأرضية. لقد احتجنا إلى قياسات معملية عالية الدقة لمقارنة أطياف الكوازار بها ، وأقنعنا المجربين بإجراء القياسات المناسبة. تم تنفيذها من قبل آن ثورن وجولييت بيكرينغ من إمبريال كوليدج لندن ، ولاحقًا من قبل فرق بقيادة سفينيريك جوهانسون من مرصد لوند في السويد ، وأولف جريسمان وراينر كلينج (راينر كلينج) من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في ماريلاند.
كانت المشكلة الثانية هي أن المراقبين السابقين استخدموا ما يسمى بالمضاعفات القلوية ، وهي أزواج من خطوط الامتصاص التي تظهر في الغازات الذرية للكربون أو السيليكون. قارنوا الفترات الفاصلة بين هذه الخطوط في أطياف الكوازار بالقياسات المختبرية. ومع ذلك ، لم تسمح هذه الطريقة باستخدام ظاهرة معينة واحدة: الاختلافات في $ \ alpha $ لا تسبب فقط تغييرًا في الفاصل الزمني بين مستويات الطاقة للذرة بالنسبة إلى المستوى الذي يحتوي على أقل طاقة (الحالة الأرضية) ، ولكن أيضا تغيير في موقف الأرض الحالة نفسها. في الواقع ، التأثير الثاني أقوى من الأول. نتيجة لذلك ، كانت دقة الملاحظات 1 $ \ cdot $ 10 ^ (- 4) $ فقط.
في عام 1999 ، طور أحد مؤلفي الورقة البحثية (الويب) وفيكتور فلامباوم من جامعة نيو ساوث ويلز في أستراليا تقنية لمراعاة كلا التأثيرين. نتيجة لذلك ، زادت الحساسية بمقدار 10 مرات. بالإضافة إلى ذلك ، أصبح من الممكن المقارنة أنواع مختلفةالذرات (مثل المغنيسيوم والحديد) وإجراء فحوصات عرضية إضافية. كان لابد من إجراء حسابات معقدة لتحديد كيفية اختلاف الأطوال الموجية المرصودة في أنواع مختلفة من الذرات. مسلحين بأحدث التلسكوبات وأجهزة الاستشعار ، قررنا اختبار ثبات $ \ alpha $ بدقة غير مسبوقة باستخدام طريقة جديدة للعديد من الأجهزة المتعددة.
مراجعة الآراء
عندما بدأنا التجارب ، أردنا ببساطة أن نثبت بدقة أكبر أن قيمة ثابت البنية الدقيقة في العصور القديمة هي نفسها كما هي اليوم. لدهشتنا ، أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها في عام 1999 اختلافات صغيرة ولكنها ذات دلالة إحصائية ، والتي تم تأكيدها لاحقًا. باستخدام بيانات من 128 خط امتصاص للكوازار ، سجلنا زيادة في $ \ alpha $ بمقدار 6 $ \ cdot $ 10 ^ (- 6) $ خلال الـ 6-12 مليار سنة الماضية.
لا تسمح لنا نتائج قياسات ثابت البنية الدقيقة باستخلاص النتائج النهائية. يشير البعض منهم إلى أنه كان في يوم من الأيام أصغر مما هو عليه الآن ، والبعض الآخر ليس كذلك. ربما تغيرت α في الماضي البعيد ، لكنها أصبحت الآن ثابتة. (تمثل المربعات نطاق البيانات.)
تتطلب الادعاءات الجريئة أدلة قوية ، لذلك كانت خطوتنا الأولى هي المراجعة الدقيقة لطرق جمع البيانات وتحليلها. يمكن تقسيم أخطاء القياس إلى نوعين: منهجي وعشوائي. مع عدم الدقة العشوائية ، كل شيء بسيط. في كل بعد فردي يتخذونه معان مختلفة، والتي ، مع عدد كبير من القياسات ، يتم حساب متوسطها وتميل إلى الصفر. يصعب التعامل مع الأخطاء المنهجية التي لم يتم حساب متوسطها. في علم الفلك ، يتم مواجهة هذا النوع من عدم اليقين في كل منعطف. في التجارب المعملية ، يمكن ضبط الأدوات لتقليل الأخطاء ، لكن علماء الفلك لا يستطيعون "ضبط" الكون ، وعليهم الاعتراف بأن جميع طرق جمع البيانات الخاصة بهم تحتوي على تحيزات متأصلة. على سبيل المثال ، فإن التوزيع المكاني المرصود للمجرات منحاز بشكل ملحوظ نحو المجرات الساطعة لأنها أسهل في الملاحظة. إن تحديد مثل هذه التحولات وتحييدها يمثل تحديًا مستمرًا للمراقبين.
أولاً ، لفتنا الانتباه إلى التشويه المحتمل لمقياس الطول الموجي ، والذي تم قياس الخطوط الطيفية للكوازار به. يمكن أن تنشأ ، على سبيل المثال ، أثناء معالجة النتائج "الأولية" لرصد الكوازارات في طيف معاير. على الرغم من أن التمدد أو الانكماش الخطي البسيط لمقياس الطول الموجي لا يمكن أن يحاكي بدقة التغيير في $ \ alpha $ ، حتى التشابه التقريبي سيكون كافياً لشرح النتائج. تدريجيًا ، أزلنا الأخطاء البسيطة المرتبطة بالتشوهات عن طريق استبدال بيانات المعايرة بدلاً من نتائج مراقبة الكوازار.
لأكثر من عامين ، كنا نحقق في أسباب مختلفة للتحيز للتأكد من أن تأثيرها ضئيل. لقد وجدنا مصدرًا واحدًا محتملاً للأخطاء الخطيرة. نحن نتحدث عن خطوط امتصاص المغنيسيوم. يمتص كل من نظائره الثلاثة المستقرة الضوء بأطوال موجية مختلفة ، وهي قريبة جدًا من بعضها البعض ويمكن رؤيتها في أطياف الكوازارات كخط واحد. بناءً على القياسات المختبرية للوفرة النسبية للنظائر ، يحكم الباحثون على مساهمة كل منها. يمكن أن يختلف توزيعها في الكون الشاب اختلافًا كبيرًا عن اليوم إذا كانت النجوم التي تنبعث منها المغنيسيوم أثقل في المتوسط من نظيراتها الحالية. مثل هذه الاختلافات يمكن أن تحاكي التغيير في $ \ alpha $ ، لكن نتائج دراسة نشرت هذا العام تشير إلى أن الحقائق المرصودة لم يتم شرحها بسهولة. خلص Yeshe Fenner و Brad K. الكون ، والذي يتعارض تمامًا مع الملاحظات. لذلك علينا أن نتعايش مع احتمال أن $ \ alpha $ تغير.
يتغير في بعض الأحيان ، لكنه لا يتغير في بعض الأحيان
وفقًا للفرضية التي طرحها مؤلفو المقال ، في بعض فترات التاريخ الكوني ، ظل ثابت البنية الدقيقة على حاله ، بينما زاد في فترات أخرى. تتوافق البيانات التجريبية (انظر الإطار السابق) مع هذا الافتراض.
قدر المجتمع العلمي على الفور أهمية نتائجنا. أخذ الباحثون في أطياف الكوازارات حول العالم القياسات على الفور. في عام 2003 ، فرق البحث لسيرجي ليفشاكوف (سيرجي ليفشاكوف) من معهد سانت بطرسبرغ للفيزياء والتكنولوجيا. درس Ioffe و Ralf Quast من جامعة هامبورغ ثلاثة أنظمة كوازار جديدة. في العام الماضي ، قام هم تشاند وراغوناثان سريان من المركز المشترك بين الجامعات لعلم الفلك والفيزياء الفلكية في الهند ، وباتريك بيتيجين من معهد الفيزياء الفلكية وباستيان أراسيل من LERMA في باريس بتحليل 23 حالة أخرى. لم تجد أي من المجموعات تغييرات على $ \ alpha $. يجادل تشاند بأن أي تغيير بين 6 و 10 مليارات سنة يجب أن يكون أقل من مليون.
لماذا أدت المنهجيات المماثلة المستخدمة لتحليل بيانات المصدر المختلفة إلى مثل هذا التناقض الشديد؟ الجواب لم يعرف بعد. النتائج التي حصل عليها هؤلاء الباحثون ذات جودة ممتازة ، لكن حجم عيناتهم وعمر الإشعاع الذي تم تحليله أصغر بكثير من عيناتنا. بالإضافة إلى ذلك ، استخدم Chand نسخة مبسطة من طريقة multimultiplet ولم يقم بتقييم جميع الأخطاء التجريبية والمنهجية بشكل كامل.
انتقد عالم الفيزياء الفلكية الشهير جون باهكال John Bahcall من جامعة برينستون طريقة تعدد الحروف المتعددة نفسها ، لكن المشاكل التي أشار إليها تندرج في فئة الأخطاء العشوائية ، والتي يتم تقليلها عند استخدام عينات كبيرة. باكال وجيفري نيومان من المختبر الوطني. اعتبر لورنس في بيركلي خطوط الانبعاث وليس خطوط الامتصاص. نهجهم أقل دقة بكثير ، على الرغم من أنه قد يكون مفيدًا في المستقبل.
الإصلاح التشريعي
إذا كانت نتائجنا صحيحة ، فستكون العواقب وخيمة. حتى وقت قريب ، كانت جميع المحاولات لتقدير ما سيحدث للكون إذا تغير ثابت البنية الدقيقة غير مرضية. لم يذهبوا إلى أبعد من اعتبار $ \ alpha $ كمتغير في نفس الصيغ التي تم الحصول عليها بافتراض أنها ثابتة. موافق ، نهج مشكوك فيه للغاية. إذا تغير $ \ alpha $ ، فيجب الحفاظ على الطاقة والزخم في التأثيرات المرتبطة به ، الأمر الذي يجب أن يؤثر على مجال الجاذبية في الكون. في عام 1982 ، قام جاكوب بيكنشتاين من الجامعة العبرية في القدس بتعميم قوانين الكهرومغناطيسية لأول مرة على حالة الثوابت غير الثابتة. في نظريته ، يعتبر $ \ alpha $ مكونًا ديناميكيًا للطبيعة ، أي مثل حقل عددي. قبل أربع سنوات ، قام أحدنا (بارو) ، جنبًا إلى جنب مع هافارد ساندفيك وجواو ماجيجو من إمبريال كوليدج لندن ، بتوسيع نظرية بيكينشتاين لتشمل الجاذبية.
تنبؤات النظرية المعممة بسيطة للغاية. نظرًا لأن الكهرومغناطيسية على النطاق الكوني أضعف بكثير من الجاذبية ، فإن التغييرات في $ \ alpha $ ببضعة أجزاء من المليون ليس لها تأثير ملحوظ على تمدد الكون. لكن التمدد يؤثر بشكل كبير على $ \ alpha $ بسبب التناقض بين طاقات المجالين الكهربائي والمغناطيسي. خلال عشرات الآلاف من السنين الأولى من التاريخ الكوني ، سيطر الإشعاع على الجسيمات المشحونة وحافظ على التوازن بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي. مع توسع الكون ، تخلخل الإشعاع ، وأصبحت المادة العنصر المهيمن في الكون. تبين أن الطاقات الكهربائية والمغناطيسية غير متكافئة ، وبدأ $ \ alpha $ في الزيادة بما يتناسب مع لوغاريتم الوقت. منذ ما يقرب من 6 مليارات سنة ، بدأت الطاقة المظلمة بالهيمنة ، مما أدى إلى تسريع التوسع ، مما يجعل من الصعب على جميع التفاعلات الفيزيائية الانتشار في الفضاء الحر. نتيجة لذلك ، أصبح $ \ alpha $ ثابتًا تقريبًا مرة أخرى.
الصورة الموصوفة تتفق مع ملاحظاتنا. تميز الخطوط الطيفية للكوازار تلك الفترة من التاريخ الكوني عندما هيمنت المادة وازدادت $ \ alpha $. تتوافق نتائج القياسات والدراسات المعملية في أوكلو مع الفترة التي تسود فيها الطاقة المظلمة ويكون $ \ alpha $ ثابتًا. من الأمور ذات الأهمية الخاصة الدراسة الإضافية لتأثير التغيير في $ \ alpha $ على العناصر المشعة في النيازك ، لأنها تسمح لنا بدراسة الانتقال بين الفترتين المحددتين.
ألفا هي البداية فقط
إذا تغير ثابت الهيكل الدقيق ، فيجب أن تسقط الأشياء المادية بشكل مختلف. في وقت من الأوقات ، صاغ جاليليو مبدأ التكافؤ الضعيف ، الذي وفقًا له ، تسقط الأجسام في الفراغ بنفس السرعة ، بغض النظر عما تتكون منه. لكن التغييرات في $ \ alpha $ يجب أن تولد قوة تؤثر على كل الجسيمات المشحونة. كلما زاد عدد البروتونات التي تحتوي عليها الذرة في نواتها ، كلما شعرت بها أقوى. إذا كانت الاستنتاجات المستخلصة من تحليل نتائج ملاحظات الكوازار صحيحة ، فإن تسارع السقوط الحر للأجسام المصنوعة من مواد مختلفة يجب أن يختلف بحوالي 1 $ \ cdot $ 10 ^ (- 14) $. هذا أصغر 100 مرة مما يمكن قياسه في المختبر ، ولكنه كبير بما يكفي لإظهار الاختلافات في التجارب مثل STEP (اختبار مبدأ التكافؤ في الفضاء).
في دراسات سابقة لـ $ \ alpha $ ، أهمل العلماء عدم تجانس الكون. مثل كل المجرات ، فإن مجرتنا درب التبانة أكثر كثافة بمليون مرة من الفضاء الخارجي في المتوسط ، لذا فهي لا تتوسع مع الكون. في عام 2003 ، قام بارو وديفيد إف موتا من كامبردج بحساب أن $ \ alpha $ يمكن أن يتصرف بشكل مختلف داخل المجرة عن المناطق الفارغة من الفضاء. بمجرد أن تتكثف المجرة الصغيرة ، وأثناء الاسترخاء ، تدخل في توازن الجاذبية ، يصبح $ \ alpha $ ثابتًا داخل المجرة ، لكنه يستمر في التغيير في الخارج. وهكذا ، فإن التجارب على الأرض التي تختبر ثبات $ \ alpha $ تعاني من اختيار متحيز للظروف. لا يزال يتعين علينا معرفة كيف يؤثر ذلك على التحقق من مبدأ التكافؤ الضعيف. لم يلاحظ حتى الآن أي اختلافات مكانية في $ \ alpha $. بالاعتماد على تجانس CMB ، أظهر بارو مؤخرًا أن $ \ alpha $ لا يختلف بأكثر من 1 $ \ cdot $ 10 ^ (- 8) $ بين مناطق الكرة السماوية متباعدة بـ $ 10 ^ o $.
يبقى لنا أن ننتظر ظهور بيانات جديدة ودراسات جديدة ستؤكد أو تدحض في النهاية الفرضية حول التغيير في $ \ alpha $. ركز الباحثون على هذا الثابت ، ببساطة لأن التأثيرات الناتجة عن تبايناته يسهل رؤيتها. ولكن إذا كان $ \ alpha $ قابلاً للتغيير حقًا ، فيجب أن تتغير الثوابت الأخرى أيضًا. في هذه الحالة ، سيتعين علينا الاعتراف بأن الآليات الداخلية للطبيعة أكثر تعقيدًا مما كنا نظن.
عن المؤلفين:
شارك John Barrow (John D. Barrow) ، John Web (John K. Webb) في دراسة الثوابت الفيزيائية في عام 1996 خلال إجازة دراسية مشتركة في جامعة ساسكس في إنجلترا. ثم استكشف بارو الاحتمالات النظرية الجديدة لتغيير الثوابت ، وانخرط الويب في ملاحظات الكوازارات. كلا المؤلفين يكتبان كتبًا واقعية وغالبًا ما يظهران في البرامج التلفزيونية.
ترتيب- أول قانون في السماء.
الكسندر بوب
ثوابت العالم الأساسية هي تلك الثوابت التي توفر معلومات حول أكثر الخصائص الأساسية عمومية للمادة. هذه ، على سبيل المثال ، تشمل G ، c ، e ، h ، m e ، إلخ. الشيء المشترك الذي يوحد هذه الثوابت هو المعلومات التي تحتوي عليها. وبالتالي ، فإن ثابت الجاذبية G هو خاصية كمية للتفاعل العالمي المتأصل في جميع كائنات الكون - الجاذبية. سرعة الضوء ج هي أقصى سرعة ممكنة لانتشار أي تفاعلات في الطبيعة. الشحنة الأولية e هي القيمة الدنيا الممكنة للشحنة الكهربائية الموجودة في الطبيعة في حالة حرة (من الواضح أن الكواركات ذات الشحنات الكهربائية الجزئية في حالة حرة موجودة فقط في بلازما الكوارك-غلوون فائقة الكثافة والساخنة). مستمر
يحدد الشريط h الحد الأدنى للتغيير الكمية المادية، يسمى العمل ، ويلعب دورًا أساسيًا في فيزياء العالم الصغير. الكتلة المتبقية m e للإلكترون هي خاصية مميزة للخصائص بالقصور الذاتي لأخف جسيم أولي مشحون ثابتًا.
نقصد بثابت في نظرية ما قيمة ، في إطار هذه النظرية ، تعتبر دائمًا دون تغيير. إن وجود الثوابت في تعبيرات العديد من قوانين الطبيعة يعكس الثبات النسبي في جوانب معينة من الواقع ، والذي يتجلى في وجود الانتظام.
الثوابت الأساسية c و h و e و G وما إلى ذلك هي نفسها لجميع أقسام Metagalaxy ولا تتغير بمرور الوقت ، ولهذا السبب تسمى ثوابت العالم. تحدد بعض مجموعات ثوابت العالم شيئًا مهمًا في بنية كائنات الطبيعة ، وتشكل أيضًا طابع عدد من النظريات الأساسية.
يحدد حجم الغلاف المكاني للظواهر الذرية (هنا m e كتلة الإلكترون) ، و
الطاقات المميزة لهذه الظواهر ؛ يتم إعطاء الكم لتدفق مغناطيسي واسع النطاق في الموصلات الفائقة بالكمية
يتم تحديد الكتلة المحددة للأجسام الفيزيائية الفلكية الثابتة من خلال الجمع:
حيث m N هي كتلة النوكليون ؛ 120
يعتمد الجهاز الرياضي الكامل للديناميكا الكهربائية الكمية على وجود كمية صغيرة بلا أبعاد
تحديد شدة التفاعلات الكهرومغناطيسية.
يؤدي تحليل أبعاد الثوابت الأساسية إلى فهم جديد للمشكلة ككل. الثوابت الأساسية ذات الأبعاد الفردية ، كما هو مذكور أعلاه ، تلعب دورًا معينًا في بنية النظريات الفيزيائية المقابلة. عندما يتعلق الأمر بتطوير وصف نظري موحد لجميع العمليات الفيزيائية ، وتشكيل صورة علمية موحدة للعالم ، فإن الثوابت الفيزيائية ذات الأبعاد تفسح المجال لثوابت أساسية بلا أبعاد مثل دور هذه
الثوابت في تكوين بنية الكون وخصائصه كبيرة جدًا. ثابت البنية الدقيقة هو خاصية كمية لواحد من الأنواع الأربعة للتفاعلات الأساسية الموجودة في الطبيعة - الكهرومغناطيسية. بالإضافة إلى التفاعل الكهرومغناطيسي ، فإن التفاعلات الأساسية الأخرى هي الجاذبية ، والتفاعلات القوية والضعيفة. وجود ثابت التفاعل الكهرومغناطيسي بلا أبعاد
من الواضح أنه يفترض وجود ثوابت بلا أبعاد مماثلة ، وهي خصائص للأنواع الثلاثة الأخرى من التفاعلات. تتميز هذه الثوابت أيضًا بالثوابت الأساسية عديمة الأبعاد التالية - ثابت التفاعل القوي 
- تفاعل ضعيف ثابت:
أين ثابت فيرمي
للتفاعلات الضعيفة
ثابت تفاعل الجاذبية:
القيم الرقمية للثوابت 
تحديد
"القوة" النسبية لهذه التفاعلات. وبالتالي ، يكون التفاعل الكهرومغناطيسي أضعف بحوالي 137 مرة من التفاعل القوي. الأضعف هو تفاعل الجاذبية ، وهو أقل بمقدار 10 39 من التفاعل القوي. تحدد ثوابت التفاعل أيضًا مدى سرعة تحولات جسيم إلى آخر في عمليات مختلفة. يصف ثابت التفاعل الكهرومغناطيسي تحول أي جسيمات مشحونة إلى نفس الجسيمات ، ولكن مع تغيير في حالة الحركة بالإضافة إلى الفوتون. ثابت التفاعل القوي هو خاصية كمية للتحولات المتبادلة للباريونات بمشاركة الميزونات. يحدد ثابت التفاعل الضعيف شدة تحولات الجسيمات الأولية في العمليات التي تشمل النيوترينوات ومضادات النيترينوات.
من الضروري أن نلاحظ ثابتًا ماديًا آخر بلا أبعاد يحدد أبعاد الفضاء المادي ، والذي نشير إليه بواسطة N. ومن المعتاد بالنسبة لنا أن تحدث الأحداث المادية في مساحة ثلاثية الأبعاد ، أي N = 3 ، على الرغم من تطور أدت الفيزياء مرارًا وتكرارًا إلى ظهور مفاهيم لا تنسجم مع "الفطرة السليمة" ، ولكنها تعكس العمليات الحقيقية الموجودة في الطبيعة.
وهكذا ، فإن الثوابت الأساسية ذات الأبعاد "الكلاسيكية" تلعب دورًا حاسمًا في بنية النظريات الفيزيائية المقابلة. من بينها ، تتشكل الثوابت الأساسية غير البعدية للنظرية الموحدة للتفاعلات - 
تحدد هذه الثوابت وبعض الثوابت الأخرى ، بالإضافة إلى أبعاد الفضاء N ، بنية الكون وخصائصه.