“Resumamos algunos resultados. El libro de referencia "Tablas de cantidades físicas" (M.: Atomizdat, 1976) contiene 1005 páginas de texto y muchos millones de números; ¿Como lidiar con ellos?

Estas cantidades se dividen en al menos cuatro tipos.

a) Unidades naturales de medida, o puntos de espectro marcados físicamente. Estos no son números, sino cantidades tales como G, c, h, m e, e (carga de electrones). Estas son las características dimensionales de algunos fenómenos que se pueden reproducir muchas veces, con un alto grado precisión. Esto es un reflejo del hecho de que la naturaleza replica situaciones elementales en grandes series. Las reflexiones sobre la identidad de bloques de construcción similares del universo a veces llevaron a ideas físicas tan profundas como las estadísticas de Bose-Einstein y Fermi-Dirac. La fantástica idea de Wheeler de que todos los electrones son idénticos porque son secciones instantáneas de una línea universal enredada en una bola de un electrón, conducida Feynman a una elegante simplificación de la técnica diagramática de los cálculos en la teoría cuántica de campos.

b) Constantes verdaderas o adimensionales. Esta es la relación de varios puntos marcados en el espectro de una cantidad de la misma dimensión, por ejemplo, la relación de las masas de partículas eléctricas: ya hemos mencionado m p / m e . La identificación de diferentes dimensiones, teniendo en cuenta la nueva ley, es decir, la reducción del grupo de dimensiones, conduce a la unificación de espectros previamente diferentes y a la necesidad de explicar nuevos números.

Por ejemplo, las dimensiones m e , c y h generan el grupo de Newton y por lo tanto conducen a las mismas unidades atómicas naturales de las dimensiones M, L, T, así como a las unidades de Planck. Por lo tanto, su relación con las unidades de Planck necesita una explicación teórica, pero, como dijimos, esto es imposible mientras no haya una teoría (G, c, h). Sin embargo, en la teoría (m e, c, h) - electrodinámica cuántica - hay una cantidad adimensional, cuyo valor la electrodinámica cuántica moderna en un cierto sentido de la palabra debe su existencia. Coloquemos dos electrones a una distancia h/ m e c (la llamada longitud de onda Compton de un electrón) y midamos la relación entre la energía de su repulsión electrostática y la energía m e c 2 equivalente a la masa en reposo del electrón. Obtienes el número a \u003d 7.2972 x 10 -3 ≈ 1/137. Esta es la famosa constante de estructura fina.

La electrodinámica cuántica describe, en particular, procesos en los que el número de partículas no se conserva: el vacío crea pares electrón-positrón, se aniquilan. Debido a que la energía de producción (no menos de 2m e c 2 ) es cientos de veces mayor que la energía de la interacción característica de Coulomb (debido al valor de a), es posible realizar un esquema de cálculo eficiente en el que estas correcciones radiativas no se descartan por completo, pero tampoco “estropean la vida” del teórico irremediablemente.

No existe una explicación teórica para el valor de α. Los matemáticos tienen sus propios espectros notables: los espectros de distinguidos operadores lineales-generadores de grupos de Lie simples en representaciones irreducibles, los volúmenes de los dominios fundamentales, las dimensiones de los espacios de homología y cohomología, etc. limitan la elección. Pero volvamos a las constantes.

Su siguiente tipo, que ocupa mucho espacio en las tablas, es:

c) Factores de conversión de una escala a otra, por ejemplo, de atómica a "humana". Estos incluyen: el número ya mencionado Avogadro N 0 = 6,02 x 10 23 - esencialmente un gramo, expresado en unidades de "masa de protones", aunque la definición tradicional es ligeramente diferente, así como cosas como un año luz en kilómetros. Lo más desagradable para el matemático aquí, por supuesto, son los factores de conversión de una unidad físicamente sin sentido a otra, igual de sin sentido: de codos a pies o de Réaumur a Fahrenheit. Humanamente, estos son a veces los números más importantes; como sabiamente comentó Winnie the Pooh: “No sé cuántos litros, metros y kilogramos hay en él, pero los tigres, cuando saltan, nos parecen enormes”.

d) "Espectros difusos". Esta es una característica de los materiales (no elementos o compuestos puros, sino grados tecnológicos ordinarios de acero, aluminio, cobre), datos astronómicos (la masa del Sol, el diámetro de la Galaxia...) y muchos del mismo tipo. La naturaleza produce piedras, planetas, estrellas y galaxias, sin preocuparse por su similitud, a diferencia de los electrones, pero aún así sus características cambian solo dentro de ciertos límites. Las explicaciones teóricas de estas "zonas permitidas", cuando se conocen, son notablemente interesantes e instructivas.

Manin Yu.I., Las matemáticas como metáfora, M., "Editorial MTsNMO", 2010, p. 177-179.

Constante de interacción

Material de la enciclopedia rusa libre "Tradición".

Constante de interacción(a veces el término constante de acoplamiento) es un parámetro en la teoría de campos que determina la fuerza relativa de cualquier interacción entre partículas o campos. En la teoría cuántica de campos, las constantes de interacción están asociadas con vértices en los diagramas de interacción correspondientes. Como constantes de interacción, se utilizan tanto parámetros adimensionales como cantidades relacionadas que caracterizan las interacciones y que tienen dimensiones. Ejemplos son la interacción electromagnética adimensional y la eléctrica, medida en C.

1 Comparación de interacciones 1.1 interacción gravitatoria 1.2 Interacción débil 1.3 Interacción electromagnética 1.4 Fuerte interacción 2 Constantes en la teoría cuántica de campos 3 Constantes en otras teorías 3.1 Teoria de las cuerdas 3.2 fuerte gravedad 3.3 Interacciones a nivel de estrellas 4 Enlaces 5 Ver también 6 Literatura 7 Enlaces adicionales

Comparación de interacciones

Si elegimos un objeto que participa en las cuatro interacciones fundamentales, entonces los valores de las constantes de interacción adimensionales de este objeto, que se encuentran a partir de regla general, mostrará la fuerza relativa de estas interacciones. El protón se usa con mayor frecuencia como tal objeto al nivel de partículas elementales. La energía base para comparar interacciones es la energía electromagnética de un fotón, por definición igual a:

donde - , - la velocidad de la luz, - la longitud de onda del fotón. La elección de la energía del fotón no es casual, ya que la base ciencia moderna radica la representación ondulatoria basada en ondas electromagnéticas. Con su ayuda, se realizan todas las mediciones básicas: longitud, tiempo e incluida la energía.

interacción gravitatoria

Interacción débil

La energía asociada con la interacción débil se puede representar de la siguiente forma:

donde es la carga efectiva de la interacción débil, es la masa de partículas virtuales consideradas portadoras de la interacción débil (bosones W y Z).

El cuadrado de la carga efectiva de la interacción débil de un protón se expresa en términos de la constante de Fermi J m 3 y la masa del protón:

A distancias suficientemente pequeñas, se puede despreciar la exponencial en la energía de la interacción débil. En este caso, la constante de interacción débil adimensional se define de la siguiente manera:

Interacción electromagnética

La interacción electromagnética de dos protones inmóviles se describe mediante energía electrostática:

dónde - , - .

La relación entre esta energía y la energía del fotón determina la constante de interacción electromagnética, conocida como:

Fuerte interacción

A nivel de hadrones en el Modelo Estándar de física de partículas, se considera como una interacción "residual" que entra en los hadrones. Se supone que los gluones, como portadores de la interacción fuerte, generan mesones virtuales en el espacio entre hadrones. En el modelo pion-nucleon Yukawa, las fuerzas nucleares entre nucleones se explican como resultado del intercambio de piones virtuales, y la energía de interacción tiene la siguiente forma:

donde es la carga efectiva de la interacción pión-nucleón pseudoescalar, es la masa del pión.

La constante de interacción fuerte adimensional es:

Constantes en la teoría cuántica de campos

Los efectos de interacción en la teoría de campos a menudo se definen mediante la teoría de perturbaciones, en la que las funciones de las ecuaciones se expanden en potencias de la constante de interacción. Por lo general, para todas las interacciones, excepto para la fuerte, la constante de interacción es mucho menor que la unidad. Esto hace que la aplicación de la teoría de perturbaciones sea eficiente, ya que la contribución de los términos superiores de las expansiones disminuye rápidamente y su cálculo se vuelve innecesario. En el caso de una interacción fuerte, la teoría de la perturbación se vuelve inadecuada y se requieren otros métodos de cálculo.

Una de las predicciones de la teoría cuántica de campos es el llamado efecto de "constantes flotantes", según el cual las constantes de interacción cambian lentamente con el aumento de la energía transferida durante la interacción de las partículas. Entonces, la constante de interacción electromagnética aumenta y la constante de interacción fuerte disminuye al aumentar la energía. Los quarks en la cromodinámica cuántica tienen su propia constante de interacción fuerte:

donde es la carga de color efectiva de un quark que emite gluones virtuales para interactuar con otro quark. Con una disminución en la distancia entre quarks, lograda en colisiones de partículas con alta energía, se espera una disminución logarítmica y debilitamiento de la interacción fuerte (el efecto de la libertad asintótica de los quarks). En la escala de la energía transferida del orden de la masa-energía del bosón Z (91,19 GeV) se encuentra que En la misma escala de energía, la constante de interacción electromagnética aumenta a un valor del orden de 1/127 en lugar de ≈1/137 a bajas energías. Se supone que a energías aún más altas, alrededor de 10 18 GeV, los valores de las constantes de las interacciones gravitacionales, débiles, electromagnéticas y fuertes de las partículas se aproximarán entre sí e incluso pueden volverse aproximadamente iguales entre sí.

Constantes en otras teorías

Teoria de las cuerdas

En la teoría de cuerdas, las constantes de interacción no se consideran constantes, sino que son de naturaleza dinámica. En particular, la misma teoría a bajas energías parece que las cuerdas se mueven en diez dimensiones y a altas energías en once. Un cambio en el número de mediciones va acompañado de un cambio en las constantes de interacción.

fuerte gravedad

Junto con y las fuerzas electromagnéticas se consideran los componentes principales de la interacción fuerte en . En este modelo, en lugar de considerar la interacción de quarks y gluones, solo se tienen en cuenta dos campos fundamentales: el gravitacional y el electromagnético, que actúan en la materia cargada y amasada de las partículas elementales, así como en el espacio entre ellas. Al mismo tiempo, se supone que los quarks y los gluones no son partículas reales, sino cuasipartículas, que reflejan las propiedades cuánticas y las simetrías inherentes a la materia hadrónica. Este enfoque reduce drásticamente el número de parámetros libres postulados pero sin fundamento, que es un récord para las teorías físicas, en el modelo estándar de la física de partículas elementales, en el que hay al menos 19 de estos parámetros.

Otra consecuencia es que las interacciones débil y fuerte no se consideran interacciones de campo independientes. La interacción fuerte se reduce a combinaciones de fuerzas gravitatorias y electromagnéticas, en las que los efectos de retardo de la interacción (campos de torsión dipolares y orbitales y fuerzas magnéticas) juegan un papel importante. En consecuencia, la constante de interacción fuerte se determina por analogía con la constante de interacción gravitatoria:

Es útil entender qué constantes son fundamentales en general. Tomemos, por ejemplo, la velocidad de la luz. El hecho de que sea finito es fundamental, no su significado. En el sentido de que hemos determinado la distancia y el tiempo para que sea así. En otras unidades, sería diferente.

¿Qué es entonces fundamental? Relaciones adimensionales y fuerzas de interacción características, que se describen mediante constantes de interacción adimensionales. En términos generales, las constantes de interacción caracterizan la probabilidad de algún proceso. Por ejemplo, la constante electromagnética caracteriza con qué probabilidad un electrón se dispersará en un protón.

Veamos cómo podemos construir lógicamente cantidades dimensionales. Puede ingresar la proporción de las masas del protón y el electrón y una constante específica de la interacción electromagnética. Los átomos aparecerán en nuestro universo. Puede tomar una transición atómica específica y tomar la frecuencia de la luz emitida y medir todo en el período de oscilaciones de luz. Aquí está la unidad de tiempo. La luz durante este tiempo volará a cierta distancia, por lo que obtenemos una unidad de distancia. Un fotón con tal frecuencia tiene algún tipo de energía, ha resultado una unidad de energía. Y luego la fuerza de la interacción electromagnética es tal que el tamaño del átomo es mucho en nuestras nuevas unidades. Medimos la distancia como la relación entre el tiempo de vuelo de la luz a través del átomo y el período de oscilación. Este valor depende únicamente de la fuerza de la interacción. Si ahora definimos la velocidad de la luz como la relación entre el tamaño de un átomo y el período de oscilación, obtenemos un número, pero no es fundamental. El segundo y el metro son escalas de tiempo y distancia características para nosotros. En ellos medimos la velocidad de la luz, pero su valor específico no tiene significado físico.

Experimento mental, que haya otro universo, donde el metro sea exactamente el doble del nuestro, pero todas las constantes y relaciones fundamentales sean las mismas. Entonces, las interacciones tardarán el doble en propagarse, y los seres humanos percibirán un segundo a la mitad de la velocidad. Por supuesto que no lo sienten. Cuando midan la velocidad de la luz, obtendrán el mismo valor que nosotros. Porque miden en sus característicos metros y segundos.

Por lo tanto, los físicos no le dan una importancia fundamental al hecho de que la velocidad de la luz sea de 300.000 km/s. Y se adjunta la constante de interacción electromagnética, la llamada constante de estructura fina (es aproximadamente 1/137).

Además, por supuesto, las constantes de las interacciones fundamentales (electromagnetismo, interacciones fuertes y débiles, gravitación) asociadas con los procesos correspondientes dependen de las energías de estos procesos. La interacción electromagnética en la escala de energía del orden de la masa del electrón es una, y en la escala del orden de la masa del bosón de Higgs es diferente, más alta. La fuerza de la interacción electromagnética crece con la energía. Pero cómo cambian las constantes de interacción con la energía se puede calcular sabiendo qué tipo de partículas tenemos y cuáles son sus proporciones de propiedades.

Por lo tanto, para describir completamente las interacciones fundamentales a nuestro nivel de comprensión, es suficiente saber qué conjunto de partículas tenemos, las proporciones de masa de las partículas elementales, las constantes de interacción en una escala, por ejemplo, en la escala de la masa del electrón, y la relación de fuerzas con las que cada partícula en particular interactúa esta interacción, en el caso electromagnético esto corresponde a la relación de cargas (la carga de un protón es igual a la carga de un electrón, porque la fuerza de interacción de un electrón con un electrón coincide con la fuerza de interacción de un electrón con un protón, si fuera el doble de grande, entonces la fuerza sería el doble, la fuerza se mide, repito, en probabilidades adimensionales). La pregunta se reduce a por qué lo son.

No todo está claro aquí. Algunos científicos creen que surgirá una teoría más fundamental a partir de la cual se deducirá cómo se relacionan las masas, las cargas, etc. Este último es, en cierto sentido, respondido por grandes teorías unificadas. Algunas personas creen que el principio antrópico está en funcionamiento. Es decir, si las constantes fundamentales fueran diferentes, simplemente no existiríamos en tal universo.

¡Qué inimaginablemente extraño sería el mundo si las constantes físicas pudieran cambiar! Por ejemplo, la llamada constante de estructura fina es aproximadamente igual a 1/137. Si tuviera un valor diferente, entonces quizás no habría diferencia entre materia y energía.

Hay cosas que nunca cambian. Los científicos las llaman constantes físicas o constantes mundiales. Se cree que la velocidad de la luz $c$, la constante gravitatoria $G$, la masa del electrón $m_e$ y algunas otras cantidades siempre y en todas partes permanecen sin cambios. Forman la base sobre la que se basan las teorías físicas y determinan la estructura del universo.

Los físicos están trabajando arduamente para medir las constantes del mundo con una precisión cada vez mayor, pero nadie ha podido explicar de ninguna manera por qué sus valores son como son. En el sistema SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( - 31) $ kg: cantidades completamente independientes que tienen solo una propiedad común: si cambian al menos un poco, y la existencia de estructuras atómicas complejas, incluidos los organismos vivos, será un gran cuestionamiento. El deseo de justificar los valores de las constantes se ha convertido en uno de los incentivos para el desarrollo de una teoría unificada que describa completamente todos los fenómenos existentes. Con su ayuda, los científicos esperaban demostrar que cada constante mundial solo puede tener un valor posible, debido a los mecanismos internos que determinan la engañosa arbitrariedad de la naturaleza.

La mejor candidata para el título de teoría unificada es la teoría M (una variante de la teoría de cuerdas), que puede considerarse consistente si el Universo no tiene cuatro dimensiones espacio-temporales, sino once. Por lo tanto, las constantes que observamos pueden no ser verdaderamente fundamentales. Las verdaderas constantes existen en el espacio multidimensional completo, y solo vemos sus "siluetas" tridimensionales.

RESUMEN: CONSTANTES MUNDIALES

1. En muchas ecuaciones físicas, hay cantidades que se consideran constantes en todas partes, en el espacio y el tiempo.

2. Recientemente, los científicos han puesto en duda la constancia de las constantes mundiales. Comparando los resultados de las observaciones de cuásares y las mediciones de laboratorio, concluyen que elementos químicos en el pasado distante absorbían la luz de manera diferente a como lo hacen hoy. La diferencia puede explicarse por un cambio de varias millonésimas de la constante de estructura fina.

3. La confirmación de incluso un cambio tan pequeño será una verdadera revolución en la ciencia. Las constantes observadas pueden resultar ser solo "siluetas" de las verdaderas constantes que existen en el espacio-tiempo multidimensional.

Mientras tanto, los físicos han llegado a la conclusión de que los valores de muchas constantes pueden ser el resultado de eventos aleatorios e interacciones entre partículas elementales en las primeras etapas de la historia del universo. La teoría de cuerdas permite la existencia de una gran cantidad ($ 10 ^ (500) $) de mundos con diferentes conjuntos de leyes y constantes autoconsistentes ( ver Panorama de la teoría de cuerdas, In the World of Science, No. 12, 2004.). Hasta el momento, los científicos no tienen idea de por qué se seleccionó nuestra combinación. Quizás, como resultado de más investigaciones, la cantidad de mundos lógicamente posibles se reducirá a uno, pero es posible que nuestro Universo sea solo una pequeña parte del multiverso, en el que se implementan varias soluciones de las ecuaciones de una teoría unificada, y observamos sólo una de las variantes de las leyes de la naturaleza ( ver Universos Paralelos, En el Mundo de la Ciencia, No. 8, 2003 En este caso, para muchas constantes del mundo no hay explicación, salvo que constituyen una rara combinación que permite el desarrollo de la conciencia. Quizás el universo que observamos se ha convertido en uno de los muchos oasis aislados rodeados por una infinidad de espacio exterior sin vida, un lugar surrealista donde dominan las fuerzas de la naturaleza completamente ajenas a nosotros, y las partículas como los electrones y las estructuras como los átomos de carbono y las moléculas de ADN son simplemente imposibles. Intentar llegar allí habría sido fatal.

La teoría de cuerdas también se desarrolló para explicar la aparente arbitrariedad de las constantes físicas, por lo que sus ecuaciones básicas contienen solo unos pocos parámetros arbitrarios. Pero hasta ahora no explica los valores observados de las constantes.

Gobernante confiable

De hecho, el uso de la palabra "constante" no es del todo legítimo. Nuestras constantes podrían cambiar en el tiempo y el espacio. Si las dimensiones extraespaciales cambiaran de tamaño, las constantes en nuestro mundo tridimensional cambiarían con ellas. Y si miramos lo suficientemente lejos en el espacio, podríamos ver áreas donde las constantes tomaron diferentes valores. Desde la década de 1930 los científicos han especulado que las constantes pueden no ser constantes. La teoría de cuerdas da plausibilidad teórica a esta idea y hace que la búsqueda de la impermanencia sea aún más importante.

El primer problema es que la configuración del laboratorio en sí misma puede ser sensible a los cambios en las constantes. El tamaño de todos los átomos podría aumentar, pero si la regla utilizada para medir también se hiciera más larga, no se podría decir nada sobre el cambio en el tamaño de los átomos. Los experimentadores suelen asumir que los estándares de medición (reglas, pesos, relojes) no cambian, pero esto no se puede lograr cuando se verifican las constantes. Los investigadores deben prestar atención a las constantes adimensionales, solo números que no dependen del sistema de unidades, por ejemplo, la relación entre la masa de un protón y la masa de un electrón.

¿Cambia la estructura interna del universo?

De particular interés es la cantidad $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, que combina la velocidad de la luz $c$, la carga eléctrica del electrón $e$, la constante de Planck $h$, y la so- llamada constante dieléctrica de vacío $\epsilon_0$. Se llama la constante de estructura fina. Fue introducido por primera vez en 1916 por Arnold Sommerfeld, quien fue uno de los primeros en tratar de aplicar mecánica cuántica al electromagnetismo: $\alpha$ conecta las características relativistas (c) y cuánticas (h) de las interacciones electromagnéticas (e) que involucran partículas cargadas en el espacio vacío ($\epsilon_0$). Las mediciones han demostrado que este valor es 1/137,03599976 (aproximadamente 1/137).

Si $\alpha $ tuviera un significado diferente, todo el mundo cambiaría. Si es menos densidad sólido, que consta de átomos, disminuiría (en proporción a $\alpha^3 $), los enlaces moleculares se romperían a temperaturas más bajas ($\alpha^2 $) y el número de elementos estables en la tabla periódica podría aumentar ($1/ \alfa $). Si $\alpha $ resultara ser demasiado grande, los núcleos atómicos pequeños no podrían existir, porque las fuerzas nucleares que los unen no podrían evitar la repulsión mutua de los protones. Para $\alpha >0.1 $ el carbono no podría existir.

Las reacciones nucleares en las estrellas son especialmente sensibles a $\alpha $. Para que ocurra la fusión nuclear, la gravedad de la estrella debe crear suficiente alta temperatura obligar a los núcleos a acercarse a pesar de su tendencia a repelerse entre sí. Si $\alpha $ fuera mayor que 0,1, entonces la fusión sería imposible (a menos, por supuesto, que otros parámetros, como la proporción de masas de electrones y protones, permanecieran iguales). Un cambio en $\alpha$ de solo un 4% afectaría los niveles de energía en el núcleo del carbono hasta tal punto que su presencia en las estrellas simplemente cesaría.

Implementación de técnicas nucleares

El segundo problema experimental, más serio, es que la medición de los cambios en las constantes requiere un equipo de alta precisión, que debe ser extremadamente estable. Incluso con relojes atómicos, la deriva de la constante de estructura fina solo se puede rastrear durante unos pocos años. Si $\alpha $ cambiara en más de 4 $\cdot$ $10^(–15)$ en tres años, el reloj más preciso sería capaz de detectarlo. Sin embargo, aún no se ha registrado nada por el estilo. Parecería, ¿por qué no la confirmación de la constancia? Pero tres años para el espacio es un instante. Los cambios lentos pero significativos en la historia del universo pueden pasar desapercibidos.

ESTRUCTURA FINA LIGERA Y PERMANENTE

Afortunadamente, los físicos han encontrado otras formas de comprobarlo. En los 1970s Los científicos de la Comisión de Energía Atómica de Francia notaron algunas características en la composición isotópica del mineral de la mina de uranio en Oklo en Gabón ( África occidental): se parecía a los desechos de un reactor nuclear. Aparentemente, hace unos 2 mil millones de años, se formó un reactor nuclear natural en Oklo ( ver Divine Reactor, In the World of Science, No. 1, 2004).

En 1976, Alexander Shlyakhter del Instituto de Física Nuclear de Leningrado observó que el rendimiento de los reactores naturales depende de manera crítica de la energía exacta del estado específico del núcleo de samario que captura los neutrones. Y la energía en sí está fuertemente relacionada con el valor de $\alpha $. Entonces, si la constante de estructura fina hubiera sido ligeramente diferente, no podría haber ocurrido ninguna reacción en cadena. Pero realmente sucedió, lo que significa que durante los últimos 2 mil millones de años la constante no ha cambiado más de 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Los físicos continúan discutiendo sobre los resultados cuantitativos exactos debido a la inevitable incertidumbre sobre las condiciones en un reactor natural).

En 1962, P. James E. Peebles y Robert Dicke de la Universidad de Princeton fueron los primeros en aplicar dicho análisis a meteoritos antiguos: la abundancia relativa de isótopos resultantes de su desintegración radiactiva depende de $\alpha $. La limitación más sensible está asociada con la desintegración beta en la conversión de renio a osmio. Según un trabajo reciente de Keith Olive de la Universidad de Minnesota y Maxim Pospelov de la Universidad de Victoria en la Columbia Británica, $\alpha$ difería de su valor actual en 2 $\cdot$ $10^ en el momento en que se formaron los meteoritos (–6). ps Este resultado es menos preciso que los datos obtenidos en Oklo, pero se remonta más atrás en el tiempo, a la aparición sistema solar Hace 4.600 millones de años.

Para explorar posibles cambios durante períodos de tiempo aún más largos, los investigadores deben mirar al cielo. La luz de los objetos astronómicos distantes llega a nuestros telescopios durante miles de millones de años y lleva la huella de las leyes y constantes mundiales de aquellos tiempos en que recién comenzaba su viaje e interacción con la materia.

Líneas espectrales

Los astrónomos se involucraron en la historia de las constantes poco después del descubrimiento de los cuásares en 1965, que acababan de ser descubiertos e identificados como fuentes de luz brillante ubicadas a grandes distancias de la Tierra. Debido a que el camino de la luz desde el cuásar hasta nosotros es tan largo, inevitablemente cruza los vecindarios gaseosos de las galaxias jóvenes. El gas absorbe la luz del cuásar a frecuencias específicas, imprimiendo un código de barras de líneas estrechas a lo largo de su espectro (ver el recuadro a continuación).

BÚSQUEDA DE CAMBIOS EN LA RADIACIÓN QUASAR

Cuando un gas absorbe luz, los electrones contenidos en los átomos saltan de baja niveles de energía a los superiores. Los niveles de energía están determinados por la fuerza con la que el núcleo atómico retiene los electrones, lo que depende de la fuerza de la interacción electromagnética entre ellos y, por lo tanto, de la estructura fina constante. Si era diferente en el momento en que se absorbió la luz, o en alguna región particular del universo donde ocurrió, entonces la energía requerida para mover un electrón a un nuevo nivel, y las longitudes de onda de las transiciones observadas en los espectros, deberían ser diferente del observado hoy en experimentos de laboratorio. La naturaleza del cambio en las longitudes de onda depende críticamente de la distribución de electrones en las órbitas atómicas. Para un cambio dado en $\alpha$, algunas longitudes de onda disminuyen, mientras que otras aumentan. El patrón complejo de efectos es difícil de confundir con errores de calibración de datos, lo que hace que este experimento sea extremadamente útil.

Cuando empezamos a trabajar hace siete años, nos enfrentamos a dos problemas. Primero, las longitudes de onda de muchas líneas espectrales no se han medido con suficiente precisión. Por extraño que parezca, los científicos sabían mucho más sobre los espectros de los cuásares a miles de millones de años luz de distancia que sobre los espectros de las muestras terrestres. Necesitábamos mediciones de laboratorio de alta precisión para comparar los espectros del cuásar con ellos, y persuadimos a los experimentadores para que hicieran las mediciones adecuadas. Fueron realizados por Anne Thorne y Juliet Pickering del Imperial College London, y posteriormente por equipos liderados por Sveneric Johansson del Observatorio Lund en Suecia, y por Ulf Griesmann y Rainer Kling (Rainer Kling) del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Maryland.

El segundo problema fue que los observadores anteriores utilizaron los llamados dobletes alcalinos, pares de líneas de absorción que aparecen en los gases atómicos de carbono o silicio. Compararon los intervalos entre estas líneas en los espectros del cuásar con mediciones de laboratorio. Sin embargo, este método no permitía el uso de un fenómeno específico: las variaciones en $\alpha $ causan no solo un cambio en el intervalo entre los niveles de energía de un átomo en relación con el nivel con la energía más baja (el estado fundamental), sino también un cambio en la posición del propio estado fundamental. De hecho, el segundo efecto es incluso más fuerte que el primero. Como resultado, la precisión de las observaciones fue de solo 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

En 1999, uno de los autores del artículo (Web) y Victor V. Flambaum de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia desarrollaron una técnica para tener en cuenta ambos efectos. Como resultado, la sensibilidad aumentó 10 veces. Además, se hizo posible comparar diferentes tiposátomos (por ejemplo, magnesio y hierro) y realizar comprobaciones cruzadas adicionales. Se tuvieron que realizar cálculos complicados para establecer exactamente cómo varían las longitudes de onda observadas en diferentes tipos de átomos. Armados con telescopios y sensores de última generación, decidimos probar la persistencia de $\alpha$ con una precisión sin precedentes utilizando un nuevo método de muchos multipletes.

Revisión de vistas

Cuando comenzamos los experimentos, simplemente queríamos establecer con mayor precisión que el valor de la constante de estructura fina en la antigüedad era el mismo que en la actualidad. Para nuestra sorpresa, los resultados obtenidos en 1999 mostraron pequeñas diferencias estadísticamente significativas, que posteriormente se confirmaron. Usando datos de 128 líneas de absorción de cuásares, registramos un aumento en $\alpha$ de 6 $\cdot$ $10^(–6)$ durante los últimos 6 a 12 mil millones de años.

Los resultados de las mediciones de la constante de estructura fina no nos permiten sacar conclusiones finales. Algunos de ellos indican que alguna vez fue más pequeño de lo que es ahora, y otros no. Quizás α ha cambiado en el pasado lejano, pero ahora se ha vuelto constante. (Los cuadros representan el rango de datos).

Las afirmaciones audaces requieren evidencia sólida, por lo que nuestro primer paso fue revisar cuidadosamente nuestros métodos de recopilación y análisis de datos. Los errores de medición se pueden dividir en dos tipos: sistemáticos y aleatorios. Con imprecisiones aleatorias, todo es simple. En cada dimensión individual toman diferentes significados, que, con un gran número de medidas, se promedian y tienden a cero. Los errores sistemáticos que no se promedian son más difíciles de tratar. En astronomía, las incertidumbres de este tipo se encuentran a cada paso. En los experimentos de laboratorio, los instrumentos pueden ajustarse para minimizar los errores, pero los astrónomos no pueden "sintonizar" el universo y tienen que admitir que todos sus métodos de recopilación de datos contienen sesgos inherentes. Por ejemplo, la distribución espacial observada de las galaxias está marcadamente sesgada hacia las galaxias brillantes porque son más fáciles de observar. Identificar y neutralizar tales cambios es un desafío constante para los observadores.

Primero, llamamos la atención sobre la posible distorsión de la escala de longitud de onda, en relación con la cual se midieron las líneas espectrales del cuásar. Podría surgir, por ejemplo, durante el procesamiento de los resultados "en bruto" de la observación de cuásares en un espectro calibrado. Aunque el simple estiramiento o reducción lineal de la escala de longitud de onda no podría imitar con precisión el cambio en $\alpha$, incluso una similitud aproximada sería suficiente para explicar los resultados. Gradualmente, eliminamos los errores simples asociados con las distorsiones al sustituir los datos de calibración en lugar de los resultados de la observación del cuásar.

Durante más de dos años, hemos estado investigando varias causas de sesgo para garantizar que su impacto sea insignificante. Hemos encontrado solo una fuente potencial de errores graves. Estamos hablando de líneas de absorción de magnesio. Cada uno de sus tres isótopos estables absorbe luz con diferentes longitudes de onda, muy próximas entre sí y visibles en los espectros de los cuásares como una sola línea. Basándose en mediciones de laboratorio de la abundancia relativa de isótopos, los investigadores juzgan la contribución de cada uno de ellos. Su distribución en el Universo joven podría ser significativamente diferente a la actual si las estrellas que emiten magnesio fueran, en promedio, más pesadas que sus contrapartes actuales. Tales diferencias podrían imitar un cambio en $\alpha$, pero los resultados de un estudio publicado este año indican que los hechos observados no se explican tan fácilmente. Yeshe Fenner y Brad K. Gibson de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia y Michael T. Murphy de la Universidad de Cambridge concluyeron que la abundancia de isótopos requerida para imitar el cambio $\alpha$ también conduciría a una síntesis excesiva de nitrógeno a principios Universe, que es completamente inconsistente con las observaciones. Así que tenemos que vivir con la posibilidad de que $\alpha$ haya cambiado.

A VECES CAMBIA, A VECES NO

Según la hipótesis planteada por los autores del artículo, en algunos períodos de la historia cósmica la constante de estructura fina se mantuvo sin cambios, mientras que en otros aumentó. Los datos experimentales (ver el recuadro anterior) son consistentes con esta suposición.

La comunidad científica apreció de inmediato la importancia de nuestros resultados. Los investigadores de los espectros de los cuásares de todo el mundo tomaron medidas de inmediato. En 2003, los equipos de investigación de Sergei Levshakov (Sergei Levshakov) del Instituto de Física y Tecnología de San Petersburgo. Ioffe y Ralf Quast de la Universidad de Hamburgo han estudiado tres nuevos sistemas de cuásares. El año pasado, Hum Chand y Raghunathan Srianand del Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica de India, Patrick Petitjean del Instituto de Astrofísica y Bastien Aracil de LERMA en París analizaron 23 casos más. Ninguno de los grupos encontró cambios en $\alpha$. Chand argumenta que cualquier cambio entre hace 6 y 10 mil millones de años debe ser menos de una millonésima.

¿Por qué metodologías similares utilizadas para analizar diferentes fuentes de datos llevaron a una discrepancia tan drástica? La respuesta aún no se conoce. Los resultados obtenidos por estos investigadores son de excelente calidad, pero el tamaño de sus muestras y la edad de la radiación analizada son significativamente menores que los nuestros. Además, Chand usó una versión simplificada del método multimultiplete y no evaluó completamente todos los errores experimentales y sistemáticos.

El renombrado astrofísico John Bahcall de Princeton ha criticado el método multimultiplete en sí mismo, pero los problemas que señala están en la categoría de errores aleatorios, que se minimizan cuando se utilizan muestras grandes. Bacall y Jeffrey Newman del Laboratorio Nacional. Lawrence en Berkeley consideró líneas de emisión, no líneas de absorción. Su enfoque es mucho menos preciso, aunque puede resultar útil en el futuro.

Reforma legislativa

Si nuestros resultados son correctos, las consecuencias serán enormes. Hasta hace poco, todos los intentos de estimar lo que le sucedería al Universo si la constante de estructura fina cambiara fueron insatisfactorios. No fueron más allá de considerar $\alpha$ como una variable en las mismas fórmulas que se obtuvieron bajo el supuesto de que es constante. De acuerdo, un enfoque muy dudoso. Si $\alpha $ cambia, entonces la energía y el momento en los efectos asociados con él deberían conservarse, lo que debería afectar el campo gravitatorio en el Universo. En 1982, Jacob D. Bekenstein de la Universidad Hebrea de Jerusalén generalizó por primera vez las leyes del electromagnetismo al caso de constantes no constantes. En su teoría, $\alpha $ se considera como un componente dinámico de la naturaleza, es decir, como un campo escalar. Hace cuatro años, uno de nosotros (Barrow), junto con Håvard Sandvik y João Magueijo del Imperial College London, expandieron la teoría de Bekenstein para incluir la gravedad.

Las predicciones de la teoría generalizada son tentadoramente simples. Dado que el electromagnetismo a escala cósmica es mucho más débil que la gravedad, los cambios en $\alpha$ de unas pocas millonésimas no tienen un efecto notable en la expansión del Universo. Pero la expansión afecta significativamente a $\alpha $ debido a la discrepancia entre las energías de los campos eléctrico y magnético. Durante las primeras decenas de miles de años de la historia cósmica, la radiación dominó las partículas cargadas y mantuvo un equilibrio entre los campos eléctrico y magnético. A medida que el universo se expandió, la radiación se enrareció y la materia se convirtió en el elemento dominante del cosmos. Las energías eléctrica y magnética resultaron ser desiguales, y $\alpha $ comenzó a aumentar en proporción al logaritmo del tiempo. Hace aproximadamente 6 mil millones de años, la energía oscura comenzó a dominar, acelerando la expansión, lo que dificulta que todas las interacciones físicas se propaguen en el espacio libre. Como resultado, $\alpha$ volvió a ser casi constante.

La imagen descrita es consistente con nuestras observaciones. Las líneas espectrales del cuásar caracterizan ese período de la historia cósmica cuando la materia dominaba y $\alpha$ aumentaba. Los resultados de las mediciones y estudios de laboratorio en Oklo corresponden al período en que domina la energía oscura y $\alpha$ es constante. De particular interés es el estudio adicional de la influencia del cambio en $\alpha$ en los elementos radiactivos en los meteoritos, porque nos permite estudiar la transición entre los dos períodos mencionados.

alfa es solo el comienzo

Si la constante de estructura fina cambia, entonces los objetos materiales deben caer de manera diferente. En un momento, Galileo formuló el principio de equivalencia débil, según el cual los cuerpos en el vacío caen a la misma velocidad, independientemente de su composición. Pero los cambios en $\alpha$ deben generar una fuerza que actúe sobre todas las partículas cargadas. Cuantos más protones contenga un átomo en su núcleo, más fuerte lo sentirá. Si las conclusiones extraídas del análisis de los resultados de las observaciones de cuásares son correctas, entonces la aceleración de la caída libre de cuerpos hechos de diferentes materiales debería diferir en aproximadamente 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Esto es 100 veces más pequeño que lo que se puede medir en el laboratorio, pero lo suficientemente grande como para mostrar diferencias en experimentos como STEP (Prueba del principio de equivalencia en el espacio).

En estudios previos de $\alpha $, los científicos descuidaron la falta de homogeneidad del Universo. Como todas las galaxias, nuestra Vía Láctea es aproximadamente un millón de veces más densa que el espacio exterior en promedio, por lo que no se expande con el universo. En 2003, Barrow y David F. Mota de Cambridge calcularon que $\alpha$ podría comportarse de manera diferente dentro de una galaxia que en regiones más vacías del espacio. Tan pronto como una galaxia joven se condensa y, mientras se relaja, alcanza el equilibrio gravitatorio, $\alpha$ se vuelve constante dentro de la galaxia, pero continúa cambiando en el exterior. Por lo tanto, los experimentos en la Tierra que prueban la persistencia de $\alpha$ sufren de una selección sesgada de condiciones. Todavía tenemos que averiguar cómo afecta esto a la verificación del principio de equivalencia débil. Aún no se han observado variaciones espaciales de $\alpha$. Basándose en la homogeneidad del CMB, Barrow demostró recientemente que $\alpha $ no varía en más de 1 $\cdot$ $10^(–8)$ entre regiones de la esfera celeste separadas por $10^o$.

Nos queda esperar la aparición de nuevos datos y nuevos estudios que finalmente confirmen o refuten la hipótesis sobre el cambio en $\alpha $. Los investigadores se han centrado en esta constante, simplemente porque los efectos debidos a sus variaciones son más fáciles de ver. Pero si $\alpha$ es realmente mutable, entonces otras constantes también deben cambiar. En este caso, tendremos que admitir que los mecanismos internos de la naturaleza son mucho más complicados de lo que pensábamos.

SOBRE LOS AUTORES:
John Barrow (John D. Barrow), John Web (John K. Webb) se dedica al estudio de las constantes físicas en 1996 durante un año sabático conjunto en la Universidad de Sussex en Inglaterra. Luego, Barrow exploró nuevas posibilidades teóricas para cambiar las constantes, y Web se dedicó a la observación de cuásares. Ambos autores escriben libros de no ficción ya menudo aparecen en programas de televisión.

ordenar- la primera ley del cielo.

alexander pop

Las constantes mundiales fundamentales son constantes que proporcionan información sobre las propiedades más generales y fundamentales de la materia. Estas, por ejemplo, incluyen G, c, e, h, m e, etc. Lo común que une a estas constantes es la información que contienen. Por lo tanto, la constante gravitacional G es una característica cuantitativa de la interacción universal inherente a todos los objetos del Universo: la gravitación. La velocidad de la luz c es la velocidad máxima posible de propagación de cualquier interacción en la naturaleza. La carga elemental e es el valor mínimo posible de la carga eléctrica que existe en la naturaleza en estado libre (los quarks con cargas eléctricas fraccionarias, aparentemente, en estado libre existen solo en un plasma de quark-gluón superdenso y caliente). Constante

La barra h determina el cambio mínimo cantidad física, llamado acción, y juega un papel fundamental en la física del micromundo. La masa en reposo m e de un electrón es una característica de las propiedades inerciales de la partícula elemental cargada estable más ligera.

Por una constante de alguna teoría, nos referimos a un valor que, dentro del marco de esta teoría, se considera que siempre no cambia. La presencia de constantes en las expresiones de muchas leyes de la naturaleza refleja la relativa invariancia de ciertos aspectos de la realidad, que se manifiesta en la presencia de regularidades.

Las constantes fundamentales c, h, e, G, etc. son las mismas para todas las secciones de la Metagalaxia y no cambian con el tiempo, por esta razón se les llama constantes mundiales. Algunas combinaciones de constantes mundiales determinan algo importante en la estructura de los objetos de la naturaleza y también forman el carácter de una serie de teorías fundamentales.

determina el tamaño de la capa espacial para los fenómenos atómicos (aquí m e es la masa del electrón), y

Energías características de estos fenómenos; cuántico para un flujo magnético a gran escala en superconductores viene dado por la cantidad

la masa límite de los objetos astrofísicos estacionarios está determinada por la combinación:

donde m N es la masa del nucleón; 120

todo el aparato matemático de la electrodinámica cuántica se basa en la existencia de una pequeña cantidad adimensional

determinar la intensidad de las interacciones electromagnéticas.

Un análisis de las dimensiones de las constantes fundamentales conduce a una nueva comprensión del problema como un todo. Las constantes fundamentales dimensionales individuales, como se señaló anteriormente, juegan un cierto papel en la estructura de las teorías físicas correspondientes. Cuando se trata del desarrollo de una descripción teórica unificada de todos los procesos físicos, la formación de una imagen científica unificada del mundo, las constantes físicas dimensionales dan paso a constantes fundamentales adimensionales como el papel de estas

constantes en la formación de la estructura y propiedades del universo es muy grande. La constante de estructura fina es una característica cuantitativa de uno de los cuatro tipos de interacciones fundamentales que existen en la naturaleza: la electromagnética. Además de la interacción electromagnética, otras interacciones fundamentales son la gravitatoria, la fuerte y la débil. Existencia de una constante de interacción electromagnética adimensional

Obviamente, asume la presencia de constantes adimensionales similares, que son características de los otros tres tipos de interacciones. Estas constantes también se caracterizan por las siguientes constantes fundamentales adimensionales: la constante de interacción fuerte - constante de interacción débil:

donde esta la constante de fermi

para interacciones débiles;

constante de interacción gravitatoria:

Valores numéricos de constantes determinar

la "fuerza" relativa de estas interacciones. Así, la interacción electromagnética es unas 137 veces más débil que la fuerte. La más débil es la interacción gravitatoria, que es 10 39 menor que la fuerte. Las constantes de interacción también determinan la rapidez de las transformaciones de una partícula en otra en varios procesos. La constante de interacción electromagnética describe la transformación de cualquier partícula cargada en las mismas partículas, pero con un cambio en el estado de movimiento más un fotón. La constante de interacción fuerte es una característica cuantitativa de las transformaciones mutuas de los bariones con la participación de los mesones. La constante de interacción débil determina la intensidad de las transformaciones de las partículas elementales en procesos que involucran neutrinos y antineutrinos.

Es necesario notar una constante física adimensional más que determina la dimensión del espacio físico, que denotamos por N. Es habitual para nosotros que los eventos físicos tengan lugar en el espacio tridimensional, es decir, N = 3, aunque el desarrollo de La física ha dado lugar en repetidas ocasiones a la aparición de conceptos que no encajan en el "sentido común", sino que reflejan los procesos reales que existen en la naturaleza.

Así, las constantes fundamentales dimensionales "clásicas" juegan un papel decisivo en la estructura de las correspondientes teorías físicas. A partir de ellos, se forman las constantes adimensionales fundamentales de la teoría unificada de interacciones: Estas constantes y algunas otras, así como la dimensión del espacio N, determinan la estructura del Universo y sus propiedades.