بیایید چند نتیجه را جمع بندی کنیم. کتاب مرجع «جدول مقادیر فیزیکی» (M.: Atomizdat, 1976) شامل 1005 صفحه متن و میلیون ها عدد است. چگونه با آنها برخورد کنیم؟

این مقادیر حداقل به چهار نوع تقسیم می شوند.

الف) واحدهای اندازه گیری طبیعی، یا نقاط مشخص شده از نظر فیزیکی. اینها اعداد نیستند، بلکه مقادیری مانند G، c، h، m e، e (بار الکترون) هستند. اینها ویژگی های ابعادی برخی از پدیده ها هستند که می توانند بارها و با درجه بالادقت. این بازتابی از این واقعیت است که طبیعت موقعیت های ابتدایی را در سریال های عظیم تکرار می کند. تأمل در مورد هویت واحدهای ساختمانی مشابه کیهان گاهی به ایده‌های فیزیکی عمیقی مانند آمار بوز-انیشتین و فرمی دیراک منجر می‌شود. ایده خارق‌العاده ویلر مبنی بر اینکه همه الکترون‌ها یکسان هستند، زیرا بخش‌های آنی یک خط جهانی هستند که در یک توپ یک الکترونی در هم پیچیده شده‌اند. فاینمنبه یک ساده سازی ظریف از تکنیک نموداری محاسبات در نظریه میدان کوانتومی.

ب) ثابت های واقعی یا بدون بعد. این نسبت چندین نقطه مشخص شده در طیف کمیتی با همان ابعاد است، به عنوان مثال، نسبت جرم ذرات الکتریکی: قبلاً m p / m e را ذکر کردیم. شناسایی ابعاد مختلف با در نظر گرفتن قانون جدید، یعنی کاهش گروه ابعاد، منجر به یکسان شدن طیف های مختلف قبلی و نیاز به توضیح اعداد جدید می شود.

به عنوان مثال، ابعاد m e، c و h گروه نیوتن را تولید می کنند و بنابراین به واحدهای اتمی طبیعی یکسانی با ابعاد M، L، T و همچنین واحدهای پلانک منتهی می شوند. بنابراین، رابطه آنها با واحدهای پلانک نیاز به توضیح نظری دارد، اما همانطور که گفتیم، این امر تا زمانی که نظریه (G,c,h)- وجود نداشته باشد غیرممکن است. با این حال، در نظریه (m e, c, h) - الکترودینامیک کوانتومی - یک کمیت بی بعد وجود دارد که الکترودینامیک کوانتومی مدرن به معنای خاصی از کلمه وجود خود را مدیون آن است. اجازه دهید دو الکترون را در فاصله h/m e c قرار دهیم (به اصطلاح طول موج کامپتون الکترون) و نسبت انرژی دافعه الکترواستاتیکی آنها را به انرژی m ec 2 معادل جرم بقیه الکترون اندازه گیری کنیم. شما عدد a \u003d 7.2972 x 10 -3 ≈ 1/137 را دریافت می کنید. این ثابت ساختار خوب معروف است.

الکترودینامیک کوانتومی به ویژه فرآیندهایی را توصیف می کند که در آنها تعداد ذرات حفظ نمی شود: خلاء جفت الکترون-پوزیترون را ایجاد می کند، آنها از بین می روند. با توجه به این واقعیت که انرژی تولیدی (نه کمتر از 2m ec2) صدها برابر بیشتر از انرژی اندرکنش مشخصه کولن است (به دلیل مقدار a)، می توان یک طرح محاسباتی کارآمد را انجام داد که در آن این تصحیحات تابشی به طور کامل کنار گذاشته نمی شوند، بلکه "زندگی" نظریه پرداز را ناامیدانه خراب نمی کنند.

هیچ توضیح نظری برای مقدار α وجود ندارد. ریاضیدانان طیف های قابل توجه خود را دارند: طیف عملگرهای خطی متمایز - مولدهای گروه های ساده Lie در نمایش های غیر قابل تقلیل، حجم حوزه های بنیادی، ابعاد فضاهای همسانی و همشناسی و غیره که انتخاب را محدود می کند. اما برگردیم به ثابت ها.

نوع بعدی آنها که فضای زیادی را در جداول اشغال می کند عبارتند از:

ج) عوامل تبدیل از یک مقیاس به مقیاس دیگر، مثلاً از اتمی به «انسانی». این موارد عبارتند از: شماره ذکر شده قبلا آووگادرو N 0 = 6.02 x 10 23 - اساساً یک گرم، بیان شده در واحدهای "جرم پروتون"، اگرچه تعریف سنتی کمی متفاوت است، و همچنین چیزهایی مانند یک سال نوری در کیلومتر. البته مشمئز کننده ترین عامل برای ریاضیدان در اینجا، عوامل تبدیل از یک واحد بی معنی فیزیکی به واحد دیگر است، به همان اندازه بی معنی: از ذراع به فوت یا از Réaumur به فارنهایت. از نظر انسانی، گاهی اوقات اینها مهمترین اعداد هستند. همانطور که وینی پو عاقلانه گفت: "من نمی دانم چند لیتر، متر و کیلوگرم در آن است، اما ببرها، وقتی می پرند، برای ما بزرگ به نظر می رسند."

د) «طیف های پراکنده». این ویژگی مواد (نه عناصر یا ترکیبات خالص، بلکه درجات تکنولوژیکی معمولی فولاد، آلومینیوم، مس)، داده های نجومی (جرم خورشید، قطر کهکشان ...) و بسیاری از موارد مشابه است. طبیعت سنگ‌ها، سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها را تولید می‌کند و بر خلاف الکترون‌ها به یکسانی آنها اهمیت نمی‌دهد، اما هنوز ویژگی‌های آن‌ها فقط در محدوده‌های نسبتاً مشخصی تغییر می‌کند. توضيحات نظري اين «مناطق مجاز»، وقتي شناخته شوند، به طرز قابل توجهي جالب و آموزنده است.

Manin Yu.I.، ریاضیات به عنوان یک استعاره، M.، "انتشارات MTsNMO"، 2010، ص. 177-179.

ثابت تعامل

مطالب از دایره المعارف رایگان روسی "سنت"

ثابت تعامل(گاهی اوقات اصطلاح ثابت جفت شدن) پارامتری در تئوری میدان است که قدرت نسبی هرگونه برهمکنش بین ذرات یا میدان ها را تعیین می کند. در نظریه میدان کوانتومی، ثابت های برهمکنش با رئوس در نمودارهای برهمکنش مربوطه مرتبط هستند. به عنوان ثابت های برهمکنش، هم پارامترهای بدون بعد و هم کمیت های مرتبط که برهمکنش ها را مشخص می کنند و دارای ابعاد هستند استفاده می شود. به عنوان مثال، برهمکنش الکترومغناطیسی بدون بعد و الکتریکی، اندازه گیری شده در C است.

1 مقایسه تعاملات 1.1 برهم کنش گرانشی 1.2 تعامل ضعیف 1.3 برهمکنش الکترومغناطیسی 1.4 تعامل قوی 2 ثابت ها در نظریه میدان کوانتومی 3 ثابت ها در سایر نظریه ها 3.1 نظریه ریسمان 3.2 جاذبه قوی 3.3 فعل و انفعالات در سطح ستارگان 4 پیوندها 5 همچنین ببینید 6 ادبیات 7 لینک های اضافی

مقایسه تعاملات

اگر جسمی را انتخاب کنیم که در هر چهار برهمکنش اساسی شرکت می کند، مقادیر ثابت های برهمکنش بی بعد این شیء، از قانون کلی، قدرت نسبی این تعاملات را نشان خواهد داد. پروتون اغلب به عنوان چنین جسمی در سطح ذرات بنیادی استفاده می شود. انرژی پایه برای مقایسه برهمکنش ها انرژی الکترومغناطیسی یک فوتون است که طبق تعریف برابر با:

که در آن - , - سرعت نور، - طول موج فوتون. انتخاب انرژی فوتون تصادفی نیست، زیرا علم مدرن مبتنی بر نمایش موج مبتنی بر امواج الکترومغناطیسی است. با کمک آنها، تمام اندازه گیری های اساسی انجام می شود - طول، زمان، و از جمله انرژی.

برهم کنش گرانشی

تعامل ضعیف

انرژی مرتبط با برهمکنش ضعیف را می توان به شکل زیر نشان داد:

که در آن بار موثر برهمکنش ضعیف است، جرم ذرات مجازی به عنوان حامل برهمکنش ضعیف (بوزون های W و Z) در نظر گرفته می شود.

مجذور بار مؤثر برهمکنش ضعیف برای یک پروتون بر حسب ثابت فرمی J m 3 و جرم پروتون بیان می شود:

در فواصل به اندازه کافی کوچک، نمایی در انرژی برهمکنش ضعیف را می توان نادیده گرفت. در این حالت، ثابت اندرکنش ضعیف بدون بعد به صورت زیر تعریف می شود:

برهمکنش الکترومغناطیسی

برهمکنش الکترومغناطیسی دو پروتون بی حرکت با انرژی الکترواستاتیکی توصیف می شود:

جایی که - ، - .

نسبت این انرژی به انرژی فوتون ثابت برهمکنش الکترومغناطیسی را تعیین می کند که به عنوان:

تعامل قوی

در سطح هادرون در مدل استاندارد فیزیک ذرات، آن را به عنوان یک برهمکنش "باقیمانده" وارد هادرون در نظر می گیرند. فرض بر این است که گلوئون ها، به عنوان حامل برهم کنش قوی، مزون های مجازی را در فضای بین هادرون ها تولید می کنند. در مدل یوکاوا پیون-نوکلئون، نیروهای هسته‌ای بین نوکلئون‌ها به عنوان نتیجه تبادل پیون‌های مجازی توضیح داده می‌شوند و انرژی برهم‌کنش به شکل زیر است:

بار موثر برهمکنش پیون-نوکلئون شبه مقیاسی، جرم پیون است.

ثابت برهمکنش قوی بدون بعد عبارت است از:

ثابت ها در نظریه میدان کوانتومی

اثرات متقابل در نظریه میدان اغلب با استفاده از تئوری اغتشاش تعریف می شود، که در آن توابع موجود در معادلات در توان های ثابت برهمکنش بسط می یابند. معمولاً برای همه برهمکنش ها، به جز برهم کنش قوی، ثابت اندرکنش بسیار کمتر از وحدت است. این باعث می شود که استفاده از نظریه اغتشاش کارآمد باشد، زیرا سهم ترم های بالاتر بسط ها به سرعت کاهش می یابد و محاسبه آنها غیر ضروری می شود. در مورد یک برهمکنش قوی، تئوری اغتشاش نامناسب می شود و روش های محاسبه دیگری مورد نیاز است.

یکی از پیش‌بینی‌های نظریه میدان کوانتومی، اثر موسوم به «ثابت‌های شناور» است که بر اساس آن، ثابت‌های برهم‌کنش با افزایش انرژی انتقال‌یافته در طول برهمکنش ذرات، به آرامی تغییر می‌کنند. بنابراین، ثابت برهمکنش الکترومغناطیسی افزایش می یابد، و ثابت برهمکنش قوی با افزایش انرژی کاهش می یابد. کوارک ها در کرومودینامیک کوانتومی ثابت برهمکنش قوی خود را دارند:

بار رنگ موثر کوارکی که گلوئون مجازی را برای برهمکنش با کوارکی دیگر منتشر می کند، کجاست. با کاهش فاصله بین کوارک ها که در برخورد ذرات با انرژی بالا به دست می آید، کاهش لگاریتمی و تضعیف برهم کنش قوی (اثر آزادی مجانبی کوارک ها) انتظار می رود. در مقیاس انرژی منتقل شده از مرتبه جرم-انرژی بوزون Z (91.19 گیگا ولت) مشخص می شود که در مقیاس انرژی یکسان، ثابت برهمکنش الکترومغناطیسی به جای 1/137 در انرژی های کم به مقداری در مرتبه 1/127 افزایش می یابد. فرض بر این است که در انرژی‌های حتی بالاتر، در حدود 10 18 گیگا ولت، مقادیر ثابت‌های برهمکنش‌های گرانشی، ضعیف، الکترومغناطیسی و قوی ذرات نزدیک می‌شوند و حتی ممکن است تقریباً با یکدیگر برابر شوند.

ثابت ها در سایر نظریه ها

نظریه ریسمان

در تئوری ریسمان، ثابت‌های برهمکنش ثابت در نظر گرفته نمی‌شوند، اما ماهیتا پویا هستند. به طور خاص، همین نظریه در انرژی های کم به نظر می رسد که ریسمان ها در ده بعد حرکت می کنند و در انرژی های بالا - در یازده. تغییر در تعداد اندازه گیری ها با تغییر در ثابت های اندرکنش همراه است.

جاذبه قوی

همراه با و نیروهای الکترومغناطیسی اجزای اصلی برهمکنش قوی در . در این مدل، به جای در نظر گرفتن برهمکنش کوارک ها و گلوئون ها، تنها دو میدان اساسی - گرانشی و الکترومغناطیسی در نظر گرفته شده است که در ماده باردار و جرم دار ذرات بنیادی و همچنین در فضای بین آنها عمل می کنند. در عین حال، فرض می‌شود که کوارک‌ها و گلوئون‌ها ذرات واقعی نیستند، بلکه شبه ذرات هستند که ویژگی‌های کوانتومی و تقارن‌های ذاتی در ماده هادرونیک را منعکس می‌کنند. این رویکرد به شدت رکورد تئوری های فیزیکی را کاهش می دهد که تعداد پارامترهای واقعی بی اساس، اما فرض شده آزاد در مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی، که در آن حداقل 19 پارامتر از این قبیل وجود دارد.

پیامد دیگر این است که برهمکنش های ضعیف و قوی، تعاملات میدانی مستقل در نظر گرفته نمی شوند. اندرکنش قوی به ترکیبی از نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی کاهش می یابد که در آن اثرات تأخیر برهمکنش (میدان های پیچشی دوقطبی و مداری و نیروهای مغناطیسی) نقش مهمی ایفا می کنند. بر این اساس، ثابت برهمکنش قوی با قیاس با ثابت برهمکنش گرانشی تعیین می شود:

درک اینکه کدام ثابت ها به طور کلی اساسی هستند مفید است. برای مثال سرعت نور را در نظر بگیرید. این حقیقت که متناهی است اساسی است نه معنای آن. به این معنا که مسافت و زمان را تعیین کرده ایم تا اینطور باشد. در واحدهای دیگر متفاوت خواهد بود.

پس چه چیزی اساسی است؟ نسبت‌های بدون بعد و نیروهای برهمکنش مشخصه که با ثابت‌های برهمکنش بی‌بعد توصیف می‌شوند. به طور کلی، ثابت های تعاملی احتمال برخی از فرآیندها را مشخص می کنند. به عنوان مثال، ثابت الکترومغناطیسی مشخص می کند که الکترون با چه احتمالی روی یک پروتون پراکنده خواهد شد.

بیایید ببینیم چگونه می توانیم به صورت منطقی کمیت های بعدی بسازیم. شما می توانید نسبت جرم پروتون و الکترون و یک ثابت خاص از برهمکنش الکترومغناطیسی را وارد کنید. اتم ها در جهان ما ظاهر خواهند شد. شما می توانید یک انتقال اتمی خاص بگیرید و فرکانس نور ساطع شده را بگیرید و همه چیز را در دوره نوسانات نور اندازه گیری کنید. اینجا واحد زمان است. نور در این مدت مقداری مسافت را طی می کند، بنابراین ما یک واحد مسافت بدست می آوریم. فوتون با چنین فرکانس نوعی انرژی دارد، یک واحد انرژی معلوم شده است. و سپس قدرت برهمکنش الکترومغناطیسی به حدی است که اندازه اتم در واحدهای جدید ما بسیار زیاد است. ما فاصله را به عنوان نسبت زمان پرواز نور از طریق اتم به دوره نوسان اندازه گیری می کنیم. این مقدار فقط به قدرت تعامل بستگی دارد. اگر اکنون سرعت نور را نسبت اندازه یک اتم به دوره نوسان تعریف کنیم، یک عدد به دست می آید، اما این عدد اساسی نیست. دوم و متر برای ما مقیاس های مشخصه زمان و مسافت هستند. در آنها سرعت نور را اندازه گیری می کنیم، اما مقدار خاص آن معنای فیزیکی ندارد.

آزمایش فکری، اجازه دهید جهان دیگری وجود داشته باشد، که در آن متر دقیقاً دو برابر اندازه ما باشد، اما همه ثابت ها و روابط اصلی یکسان هستند. سپس انتشار تعاملات دو برابر بیشتر طول می کشد و موجودات شبیه انسان یک ثانیه را با نصف سرعت درک می کنند. البته آنها آن را احساس نمی کنند. وقتی سرعت نور را اندازه گیری کنند، همان مقدار ما را خواهند گرفت. زیرا در متر و ثانیه مشخصه خود اندازه می گیرند.

بنابراین، فیزیکدانان به این واقعیت که سرعت نور 300000 کیلومتر بر ثانیه است اهمیت اساسی نمی دهند. و ثابت برهمکنش الکترومغناطیسی، به اصطلاح ثابت ساختار ظریف (تقریباً 1/137 است) متصل است.

علاوه بر این، البته، ثابت های فعل و انفعالات اساسی (الکترومغناطیس، برهمکنش های قوی و ضعیف، گرانش) مرتبط با فرآیندهای مربوطه به انرژی های این فرآیندها بستگی دارد. برهمکنش الکترومغناطیسی در مقیاس انرژی مرتبه جرم الکترون یک است و در مقیاس جرم بوزون هیگز متفاوت است، بالاتر. قدرت برهمکنش الکترومغناطیسی با انرژی افزایش می یابد. اما چگونگی تغییر ثابت‌های برهم‌کنش با انرژی را می‌توان با دانستن اینکه چه نوع ذرات داریم و نسبت ویژگی‌های آنها چقدر است محاسبه می‌شود.

بنابراین، برای توصیف کامل برهمکنش های بنیادی در سطح درک خود، کافی است بدانیم چه مجموعه ای از ذرات داریم، نسبت جرم ذرات بنیادی، ثابت های برهمکنش در یک مقیاس، به عنوان مثال، در مقیاس جرم الکترون، و نسبت نیروهایی که هر ذره خاص با آن برهمکنش می‌کند، در مورد الکترومغناطیسی با نسبت بارها مطابقت دارد (بار پروتون برابر با بار یک الکترون است، زیرا نیروی برهمکنش یک الکترون الکترون با یک الکترون با نیروی برهمکنش یک الکترون با یک پروتون منطبق است، اگر دو برابر بزرگتر بود، آنگاه نیرو دو برابر بزرگتر بود، نیرو اندازه گیری می شود، تکرار می کنم، در احتمالات بدون بعد). این سوال پیش می آید که چرا آنها هستند.

اینجا همه چیز مشخص نیست. برخی از دانشمندان بر این باورند که نظریه بنیادی تری پدید خواهد آمد که از آن چگونگی ارتباط جرم ها، بارها و غیره را دنبال می کند. دومی، به یک معنا، توسط نظریه های کلان متحد پاسخ داده می شود. برخی از مردم معتقدند که اصل انسان دوستی در کار است. یعنی اگر ثابت های بنیادی متفاوت بودند، ما به سادگی در چنین جهانی وجود نداشتیم.

اگر ثابت‌های فیزیکی می‌توانستند تغییر کنند، جهان چقدر غیرقابل تصور عجیب می‌شد! به عنوان مثال، به اصطلاح ثابت ساختار ظریف تقریبا برابر با 1/137 است. اگر ارزش متفاوتی داشت، شاید هیچ تفاوتی بین ماده و انرژی وجود نداشت.

چیزهایی هستند که هرگز تغییر نمی کنند. دانشمندان آنها را ثابت فیزیکی یا ثابت جهانی می نامند. اعتقاد بر این است که سرعت نور $c$، ثابت گرانشی $G$، جرم الکترون $m_e$ و برخی کمیت های دیگر همیشه و در همه جا بدون تغییر باقی می مانند. آنها مبنایی را تشکیل می دهند که نظریه های فیزیکی بر آن استوار است و ساختار جهان را تعیین می کند.

فیزیکدانان سخت کار می‌کنند تا ثابت‌های جهان را با دقت بیشتری اندازه‌گیری کنند، اما هنوز کسی نتوانسته است توضیح دهد که چرا مقادیر آن‌ها به این شکل است. در سیستم SI $c = 299792458$ m/s، $G = 6.673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$، $m_e = 9.10938188\cdot10^( - 31) کیلوگرم دلار - مقادیر کاملاً نامرتبط که فقط یک خاصیت مشترک دارند: اگر حداقل کمی تغییر کنند و وجود ساختارهای اتمی پیچیده از جمله موجودات زنده سؤال بزرگی خواهد بود. تمایل به توجیه مقادیر ثابت ها به یکی از انگیزه های توسعه یک نظریه یکپارچه تبدیل شده است که به طور کامل همه پدیده های موجود را توصیف می کند. با کمک آن، دانشمندان امیدوار بودند که نشان دهند هر ثابت جهانی می تواند تنها یک مقدار ممکن داشته باشد، به دلیل مکانیسم های داخلی که خودسری فریبنده طبیعت را تعیین می کند.

بهترین نامزد برای عنوان یک نظریه یکپارچه، نظریه M (نوعی از نظریه ریسمان) است، که اگر جهان دارای چهار بعد فضا-زمان نیست، بلکه یازده بُعد باشد، می‌توان آن را سازگار در نظر گرفت. بنابراین، ثابت هایی که مشاهده می کنیم ممکن است واقعاً اساسی نباشند. ثابت های واقعی در فضای چند بعدی کامل وجود دارند و ما فقط "شبحات" سه بعدی آنها را می بینیم.

نمای کلی: ثابت های جهانی

1. در بسیاری از معادلات فیزیکی، مقادیری وجود دارد که در همه جا - در مکان و زمان - ثابت در نظر گرفته می شوند.

2. اخیراً دانشمندان در ثابت بودن ثابت های جهان تردید کرده اند. با مقایسه نتایج مشاهدات اختروش ها و اندازه گیری های آزمایشگاهی به این نتیجه می رسند که عناصر شیمیاییدر گذشته های دور آنها نور را متفاوت از امروز جذب می کردند. این تفاوت را می توان با تغییر چندین میلیونیم ثابت ساختار ظریف توضیح داد.

3. تأیید حتی چنین تغییر کوچکی یک انقلاب واقعی در علم خواهد بود. ثابت‌های مشاهده‌شده ممکن است فقط «شبح‌هایی» از ثابت‌های واقعی باشند که در فضا-زمان چند بعدی وجود دارند.

در همین حال، فیزیکدانان به این نتیجه رسیده اند که مقادیر بسیاری از ثابت ها ممکن است نتیجه رویدادها و برهمکنش های تصادفی بین ذرات بنیادی در مراحل اولیه تاریخ جهان باشد. نظریه ریسمان امکان وجود تعداد زیادی ($10^(500)$) از جهان‌ها را با مجموعه‌های خودسازگار متفاوتی از قوانین و ثواب می‌دهد. نگاه کنید به چشم انداز نظریه ریسمان، در دنیای علم، شماره 12، 2004.). تاکنون دانشمندان هیچ ایده ای ندارند که چرا ترکیب ما انتخاب شده است. شاید در نتیجه تحقیقات بیشتر، تعداد جهان‌های منطقی ممکن به یک جهان کاهش یابد، اما ممکن است که جهان ما تنها بخش کوچکی از چندجهانی باشد که در آن راه‌حل‌های مختلفی از معادلات یک نظریه یکپارچه اجرا می‌شود. و ما فقط یکی از انواع قوانین طبیعت را مشاهده می کنیم ( نگاه کنید به جهان های موازی، در دنیای علم، شماره 8، 2003در این مورد، توضیحی برای بسیاری از ثابت های جهان وجود ندارد، به جز اینکه آنها ترکیب نادری را تشکیل می دهند که امکان رشد آگاهی را فراهم می کند. شاید کیهانی که مشاهده می کنیم تبدیل به یکی از بسیاری از واحه های منزوی شده باشد که توسط بی نهایت فضای بی جان احاطه شده است - مکانی سورئال که در آن نیروهای طبیعت کاملاً بیگانه با ما تسلط دارند و ذراتی مانند الکترون ها و ساختارهایی مانند اتم های کربن و مولکول های DNA به سادگی غیرممکن هستند. تلاش برای رسیدن به آنجا کشنده بود.

تئوری ریسمان نیز برای توضیح دلبخواهی ظاهری ثابت های فیزیکی توسعه داده شد، بنابراین معادلات اساسی آن تنها شامل چند پارامتر دلخواه است. اما تا کنون مقادیر مشاهده شده ثابت ها را توضیح نمی دهد.

خط کش قابل اعتماد

در واقع، استفاده از کلمه "ثابت" کاملاً مشروع نیست. ثابت های ما می توانند در زمان و مکان تغییر کنند. اگر ابعاد فضایی اضافی در اندازه تغییر می کرد، ثابت ها در دنیای سه بعدی ما با آنها تغییر می کردند. و اگر به اندازه کافی به فضا نگاه کنیم، می‌توانیم مناطقی را ببینیم که ثابت‌ها مقادیر متفاوتی دارند. از دهه 1930 دانشمندان حدس می زنند که ثابت ها ممکن است ثابت نباشند. نظریه ریسمان به این ایده قابل قبولی نظری می دهد و جستجوی ناپایداری را بیش از پیش مهم می کند.

اولین مشکل این است که خود تنظیمات آزمایشگاهی می تواند به تغییرات ثابت ها حساس باشد. اندازه همه اتم ها می تواند افزایش یابد، اما اگر خط کش مورد استفاده برای اندازه گیری ها نیز طولانی تر شود، نمی توان چیزی در مورد تغییر اندازه اتم ها گفت. آزمایش‌کنندگان معمولاً فرض می‌کنند که استانداردهای اندازه‌گیری (خط‌کش‌ها، وزن‌ها، ساعت‌ها) بدون تغییر هستند، اما هنگام بررسی ثابت‌ها نمی‌توان به این امر دست یافت. محققان باید به ثابت های بدون بعد توجه کنند - فقط اعدادی که به سیستم واحدهای اندازه گیری بستگی ندارند، به عنوان مثال، نسبت جرم یک پروتون به جرم یک الکترون.

آیا ساختار درونی جهان تغییر می کند؟

مقدار $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$ جالب توجه است، که سرعت نور $c$، بار الکتریکی الکترون $e$، ثابت پلانک $h$ و غیره را ترکیب می کند. ثابت دی الکتریک خلاء $\epsilon_0$ نامیده می شود. به آن ثابت ساختار ظریف می گویند. اولین بار در سال 1916 توسط آرنولد سامرفلد، که یکی از اولین کسانی بود که سعی در استفاده از آن کرد، معرفی شد. مکانیک کوانتومیبه الکترومغناطیس: $\alpha$ ویژگی های نسبیتی (c) و کوانتومی (h) برهمکنش های الکترومغناطیسی (e) را که شامل ذرات باردار در فضای خالی است ($\epsilon_0$) متصل می کند. اندازه گیری ها نشان داده است که این مقدار 1/137.03599976 (تقریباً 1/137) است.

اگر $\alpha $ معنای دیگری داشت، آنگاه کل جهان تغییر می کرد. این که آیا چگالی کمتری دارد جامد، متشکل از اتم ها، کاهش می یابد (به نسبت $\alpha^3 $)، پیوندهای مولکولی در دماهای پایین تر ($\alpha^2 $) می شکند، و تعداد عناصر پایدار در جدول تناوبی می تواند افزایش یابد ($1/ \alpha $). اگر معلوم شود که $\alpha $ خیلی بزرگ است، هسته های کوچک اتمی نمی توانند وجود داشته باشند، زیرا نیروهای هسته ای که آنها را به هم متصل می کنند قادر به جلوگیری از دفع متقابل پروتون ها نیستند. برای $\alpha > 0.1 $ کربن نمی تواند وجود داشته باشد.

واکنش های هسته ای در ستارگان به ویژه به $\alpha $ حساس هستند. برای اینکه همجوشی هسته‌ای اتفاق بیفتد، گرانش ستاره باید دمایی ایجاد کند که به‌رغم تمایل آنها به دفع یکدیگر، باعث شود هسته‌ها به هم نزدیک‌تر شوند. اگر $\alpha $ بزرگتر از 0.1 بود، در آن صورت همجوشی غیرممکن خواهد بود (مگر اینکه، البته، پارامترهای دیگر، مانند نسبت جرم الکترون و پروتون، ثابت باقی بماند). تغییر در $\alpha$ تنها به میزان 4٪ بر سطوح انرژی در هسته کربن تأثیر می گذارد تا حدی که وقوع آن در ستاره ها به سادگی متوقف می شود.

اجرای تکنیک های هسته ای

دومین مشکل آزمایشی جدی‌تر این است که اندازه‌گیری تغییرات ثابت‌ها به تجهیزات با دقت بالایی نیاز دارد که باید بسیار پایدار باشد. حتی با ساعت‌های اتمی، رانش ثابت ساختار ظریف فقط برای چند سال قابل ردیابی است. اگر $\alpha $ در عرض سه سال بیش از 4 $\cdot$ $10^(–15)$ تغییر کند، دقیق‌ترین ساعت می‌تواند این را تشخیص دهد. با این حال، هنوز چیزی از این نوع ثبت نشده است. به نظر می رسد، چرا پایداری را تأیید نمی کنیم؟ اما سه سال برای فضا یک لحظه است. تغییرات آهسته اما قابل توجه در تاریخ جهان ممکن است مورد توجه قرار نگیرد.

ساختار ریز سبک و دائمی

خوشبختانه، فیزیکدانان راه های دیگری برای بررسی پیدا کرده اند. در دهه 1970 دانشمندان کمیسیون انرژی اتمی فرانسه متوجه برخی ویژگی‌ها در ترکیب ایزوتوپی سنگ معدن اورانیوم در اوکلو در گابن شدند. غرب آفریقا): شبیه زباله های یک راکتور هسته ای است. ظاهراً حدود 2 میلیارد سال پیش، یک راکتور هسته‌ای طبیعی در اوکلو شکل گرفت. رجوع کنید به راکتور الهی، در دنیای علم، شماره 1، 2004).

در سال 1976، الکساندر شلیاختر از موسسه فیزیک هسته‌ای لنینگراد مشاهده کرد که عملکرد راکتورهای طبیعی به شدت به انرژی دقیق حالت خاص هسته ساماریوم که نوترون‌ها را جذب می‌کند، وابسته است. و خود انرژی به شدت با مقدار $\alpha $ مرتبط است. بنابراین، اگر ثابت ساختار ریز کمی متفاوت بود، هیچ واکنش زنجیره ای نمی توانست رخ دهد. اما واقعاً اتفاق افتاد، به این معنی که در طول 2 میلیارد سال گذشته، این ثابت بیش از 1 $\cdot $ 10^(–8) $ تغییر نکرده است. (فیزیکدانان به دلیل عدم قطعیت اجتناب ناپذیر در مورد شرایط یک راکتور طبیعی به بحث در مورد نتایج کمی دقیق ادامه می دهند.)

در سال 1962، پی جیمز ای. پیبلز و رابرت دیک از دانشگاه پرینستون اولین کسانی بودند که چنین تحلیلی را در مورد شهاب‌سنگ‌های باستانی اعمال کردند: فراوانی نسبی ایزوتوپ‌های حاصل از فروپاشی رادیواکتیو آنها به $\alpha $ بستگی دارد. حساس ترین محدودیت مربوط به واپاشی بتا در تبدیل رنیم به اسمیم است. بر اساس کار اخیر کیث اولیو از دانشگاه مینه سوتا و ماکسیم پوسپلوف از دانشگاه ویکتوریا در بریتیش کلمبیا، $\alpha$ با ارزش فعلی آن 2 $\cdot $10^ در زمان تشکیل شهاب‌سنگ‌ها متفاوت بود. (- 6) دلار. این نتیجه نسبت به داده‌های به‌دست‌آمده در Oklo دقت کمتری دارد، اما در زمان به عقب‌تر و به ظهور می‌رسد. منظومه شمسی 4.6 میلیارد سال پیش

برای کشف تغییرات احتمالی در بازه‌های زمانی طولانی‌تر، محققان باید به آسمان نگاه کنند. نور از اجرام نجومی دور برای میلیاردها سال به تلسکوپ‌های ما می‌رود و نشان قوانین و ثابت‌های جهانی آن زمان‌هایی را دارد که تازه سفر و تعامل خود را با ماده آغاز کرده بود.

خطوط طیفی

ستاره شناسان مدت کوتاهی پس از کشف اختروش ها در سال 1965 که به تازگی به عنوان منابع نور درخشان واقع در فواصل بسیار دور از زمین کشف و شناسایی شده بودند، درگیر داستان ثابت ها شدند. از آنجایی که مسیر نور از اختروش به ما بسیار طولانی است، ناگزیر از همسایگی های گازی کهکشان های جوان عبور می کند. گاز نور اختروش را در فرکانس‌های خاص جذب می‌کند و بارکدی از خطوط باریک را در سراسر طیف خود نشان می‌دهد (به کادر زیر مراجعه کنید).

جستجو برای تغییرات در تشعشعات کوازار

وقتی گاز نور را جذب می کند، الکترون های موجود در اتم ها از پایین می پرند سطوح انرژیبه بالاترین سطح انرژی توسط هسته اتم با قدرت نگه داشتن الکترون ها تعیین می شود که به قدرت برهمکنش الکترومغناطیسی بین آنها و بنابراین به ثابت ساختار ظریف بستگی دارد. اگر در زمانی که نور جذب شد، یا در منطقه خاصی از جهان که در آن اتفاق افتاد، متفاوت بود، انرژی لازم برای حرکت یک الکترون به سطح جدید، و طول موج‌های انتقال مشاهده شده در طیف‌ها، باید متفاوت باشد. با آنچه امروزه در آزمایشات آزمایشگاهی مشاهده می شود متفاوت باشد. ماهیت تغییر در طول موج ها به شدت به توزیع الکترون ها در مدارهای اتمی بستگی دارد. برای تغییر معین در $\alpha$، برخی از طول موج ها کاهش می یابند، در حالی که برخی دیگر افزایش می یابند. اشتباه کردن الگوی پیچیده اثرات با خطاهای کالیبراسیون داده ها دشوار است، که چنین آزمایشی را بسیار مفید می کند.

هفت سال پیش که شروع به کار کردیم با دو مشکل مواجه شدیم. اول اینکه طول موج بسیاری از خطوط طیفی با دقت کافی اندازه گیری نشده است. به اندازه کافی عجیب، دانشمندان در مورد طیف اختروش های میلیاردها سال نوری از ما بیشتر از طیف نمونه های زمینی می دانستند. ما به اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی با دقت بالا برای مقایسه طیف‌های اختروش با آنها نیاز داشتیم و آزمایش‌کنندگان را متقاعد کردیم که اندازه‌گیری‌های مناسب را انجام دهند. آنها توسط آن تورن و ژولیت پیکرینگ از امپریال کالج لندن و بعداً توسط تیم‌هایی به رهبری اسونریک یوهانسون از رصدخانه لوند در سوئد و توسط اولف گریزمن و راینر کلینگ (راینر کلینگ) از موسسه ملی استاندارد و فناوری در سوئد انجام شد. مریلند.

مشکل دوم این بود که ناظران قبلی از دوتایی های قلیایی استفاده می کردند، جفت خطوط جذبی که در گازهای اتمی کربن یا سیلیکون ظاهر می شوند. آنها فواصل بین این خطوط را در طیف های اختروش با اندازه گیری های آزمایشگاهی مقایسه کردند. با این حال، این روش اجازه نمی دهد که یک پدیده خاص مورد بهره برداری قرار گیرد: تغییرات $\alpha $ نه تنها باعث تغییر در فاصله بین سطوح انرژی یک اتم نسبت به سطح با کمترین انرژی (حالت پایه) می شود، بلکه همچنین تغییر در موقعیت خود دولت پایه. در واقع، اثر دوم حتی قوی تر از اول است. در نتیجه، دقت مشاهدات تنها 1 $\cdot$10^(–4)$ بود.

در سال 1999، یکی از نویسندگان مقاله (وب) و ویکتور وی فلامبام از دانشگاه نیو ساوت ولز در استرالیا تکنیکی را برای در نظر گرفتن هر دو اثر توسعه دادند. در نتیجه حساسیت 10 برابر افزایش یافت. علاوه بر این، امکان مقایسه وجود داشت انواع مختلفاتم ها (مانند منیزیم و آهن) و بررسی های متقاطع اضافی را انجام دهید. محاسبات پیچیده ای باید انجام می شد تا مشخص شود که چگونه طول موج های مشاهده شده در انواع مختلف اتم ها متفاوت است. مجهز به تلسکوپ‌ها و حسگرهای پیشرفته، تصمیم گرفتیم با استفاده از روشی جدید از چندگانه‌ها، پایداری $\alpha$ را با دقتی بی‌سابقه آزمایش کنیم.

بازبینی دیدگاه ها

وقتی آزمایش‌ها را شروع کردیم، فقط می‌خواستیم با دقت بیشتری ثابت کنیم که مقدار ثابت ساختار ریز در زمان‌های قدیم مانند امروز بود. در کمال تعجب، نتایج به‌دست‌آمده در سال 1999 تفاوت‌های کوچک اما از نظر آماری معنی‌داری را نشان داد که متعاقباً تأیید شد. با استفاده از داده‌های 128 خط جذب اختروش، افزایشی در $\alpha$ به میزان 6 $\cdot $10^(-6)$ در طول 6-12 میلیارد سال گذشته ثبت کردیم.

نتایج اندازه گیری ثابت ساختار ریز به ما اجازه نمی دهد که نتیجه نهایی را بگیریم. برخی از آنها نشان می دهد که زمانی کوچکتر از اکنون بوده است و برخی دیگر نیستند. شاید α در گذشته های دور تغییر کرده باشد، اما اکنون ثابت شده است. (جعبه ها محدوده داده ها را نشان می دهند.)

ادعاهای جسورانه نیاز به شواهد محکمی دارند، بنابراین اولین قدم ما بررسی دقیق روش های جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده ها بود. خطاهای اندازه گیری را می توان به دو نوع سیستماتیک و تصادفی تقسیم کرد. با عدم دقت تصادفی، همه چیز ساده است. در هر بعد فردی آنها را می گیرند معانی مختلف، که با تعداد زیادی اندازه گیری، میانگین می شوند و به صفر تمایل دارند. مقابله با خطاهای سیستماتیکی که به طور میانگین محاسبه نمی شوند دشوارتر است. در نجوم، در هر لحظه با عدم قطعیت هایی از این دست مواجه می شویم. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، ابزارها را می‌توان برای به حداقل رساندن خطاها تنظیم کرد، اما ستاره‌شناسان نمی‌توانند جهان را تنظیم کنند و باید بپذیرند که تمام روش‌های جمع‌آوری داده‌های آن‌ها حاوی سوگیری‌های ذاتی است. برای مثال، توزیع فضایی مشاهده‌شده کهکشان‌ها به‌طور قابل‌توجهی به سمت کهکشان‌های درخشان گرایش دارد، زیرا رصد آن‌ها آسان‌تر است. شناسایی و خنثی کردن چنین تغییراتی یک چالش همیشگی برای ناظران است.

ابتدا، ما توجه را به اعوجاج احتمالی مقیاس طول موج، نسبت به آن، جلب کردیم که خطوط طیفی اختروش اندازه‌گیری شد. به عنوان مثال، می تواند در طول پردازش نتایج "خام" مشاهده اختروش ها در یک طیف کالیبره شده ایجاد شود. اگرچه کشش خطی ساده یا کوچک شدن مقیاس طول موج نمی تواند دقیقاً تغییر در $\alpha$ را تقلید کند، حتی یک شباهت تقریبی برای توضیح نتایج کافی است. به تدریج، با جایگزینی داده های کالیبراسیون به جای نتایج مشاهدات اختروش، خطاهای ساده مرتبط با اعوجاج را حذف کردیم.

برای بیش از دو سال، ما در حال بررسی علل مختلف سوگیری هستیم تا اطمینان حاصل کنیم که تأثیر آنها ناچیز است. ما فقط یک منبع بالقوه از اشکالات جدی پیدا کرده ایم. ما در مورد خطوط جذب منیزیم صحبت می کنیم. هر یک از سه ایزوتوپ پایدار آن نور را با طول موج های مختلف جذب می کند که بسیار نزدیک به هم هستند و در طیف اختروش ها به صورت یک خط قابل مشاهده هستند. بر اساس اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی فراوانی نسبی ایزوتوپ‌ها، محققان سهم هر یک از آنها را قضاوت می‌کنند. اگر ستارگانی که منیزیم ساطع می کنند به طور متوسط ​​سنگین تر از همتایان امروزی خود باشند، توزیع آنها در کیهان جوان می تواند به طور قابل توجهی متفاوت از امروز باشد. چنین تفاوت هایی می تواند تغییر در $\alpha$ را تقلید کند.اما نتایج یک مطالعه منتشر شده در سال جاری نشان می دهد که حقایق مشاهده شده به این راحتی قابل توضیح نیستند. Yeshe Fenner و Brad K. Gibson از دانشگاه صنعتی Swinburne در استرالیا و Michael T. Murphy از دانشگاه کمبریج به این نتیجه رسیدند که فراوانی ایزوتوپ مورد نیاز برای تقلید تغییر $\alpha$ همچنین منجر به سنتز بیش از حد نیتروژن در اوایل می شود. کیهان که با مشاهدات کاملاً ناسازگار است. بنابراین باید با این احتمال زندگی کنیم که $\alpha$ تغییر کرده است.

گاهی اوقات تغییر می کند، گاهی اوقات تغییر نمی کند

با توجه به فرضیه ارائه شده توسط نویسندگان مقاله، در برخی از دوره های تاریخ کیهانی، ثابت ساختار ظریف بدون تغییر باقی مانده است، در حالی که در برخی دیگر افزایش یافته است. داده های تجربی (به قسمت قبلی مراجعه کنید) با این فرض سازگار است.

جامعه علمی بلافاصله از اهمیت نتایج ما قدردانی کرد. محققان طیف اختروش ها در سراسر جهان بلافاصله اندازه گیری ها را انجام دادند. در سال 2003، تیم های تحقیقاتی سرگئی لوشاکوف (Sergei Levshakov) از موسسه فیزیک و فناوری سنت پترزبورگ. آیوف و رالف کواست از دانشگاه هامبورگ سه سیستم کوازار جدید را مطالعه کرده اند. سال گذشته، هام چاند و راگوناتان سریاناند از مرکز بین دانشگاهی نجوم و اخترفیزیک در هند، پاتریک پتیژان از موسسه اخترفیزیک و باستین آراسیل از LERMA در پاریس 23 مورد دیگر را تجزیه و تحلیل کردند. هیچ یک از گروه ها تغییراتی در $\alpha$ پیدا نکردند. چاند استدلال می کند که هر تغییری بین 6 تا 10 میلیارد سال پیش باید کمتر از یک میلیونیم باشد.

چرا روش‌های مشابهی که برای تجزیه و تحلیل داده‌های منبع مختلف استفاده می‌شوند منجر به چنین اختلاف فاحشی شدند؟ پاسخ هنوز مشخص نیست. نتایج به‌دست‌آمده توسط این محققان از کیفیت عالی برخوردار است، اما اندازه نمونه‌های آن‌ها و سن تشعشعات آنالیز شده به‌طور قابل‌توجهی کوچک‌تر از ما است. علاوه بر این، چاند از یک نسخه ساده شده از روش چندگانه استفاده کرد و تمام خطاهای آزمایشی و سیستماتیک را به طور کامل ارزیابی نکرد.

اخترفیزیکدان مشهور جان باکال از پرینستون از خود روش چندگانه انتقاد کرده است، اما مشکلاتی که وی به آن اشاره می کند در دسته خطاهای تصادفی است که در صورت استفاده از نمونه های بزرگ به حداقل می رسد. باکال و جفری نیومن از آزمایشگاه ملی. لارنس در برکلی خطوط انتشار را در نظر گرفت، نه خطوط جذب. رویکرد آنها بسیار کمتر دقیق است، اگرچه ممکن است در آینده مفید باشد.

اصلاحات قانونی

اگر نتایج ما درست باشد، عواقب آن بسیار زیاد خواهد بود. تا همین اواخر، همه تلاش‌ها برای تخمین اینکه اگر ثابت ساختار ظریف تغییر کند، چه اتفاقی برای کیهان می‌افتد، رضایت‌بخش نبود. آنها فراتر از در نظر گرفتن $\alpha$ به عنوان یک متغیر در همان فرمول هایی که با فرض ثابت بودن به دست آمده بودند، نرفتند. موافقم، یک رویکرد بسیار مشکوک. اگر $\alpha $ تغییر کند، انرژی و تکانه در اثرات مرتبط با آن باید حفظ شود، که باید بر میدان گرانشی در جهان تأثیر بگذارد. در سال 1982، ژاکوب دی. بکنشتاین از دانشگاه عبری اورشلیم برای اولین بار قوانین الکترومغناطیس را در مورد ثابت های غیر ثابت تعمیم داد. در نظریه او $\alpha $ به عنوان یک جزء پویا از طبیعت در نظر گرفته شده است، یعنی. مانند یک میدان اسکالر چهار سال پیش، یکی از ما (بارو)، همراه با هاوارد ساندویک و ژائو ماگوئیخو از امپریال کالج لندن، نظریه بکنشتاین را گسترش داد و گرانش را نیز در بر گرفت.

پیش‌بینی‌های نظریه تعمیم‌یافته بسیار ساده هستند. از آنجایی که الکترومغناطیس در مقیاس کیهانی بسیار ضعیفتر از گرانش است، تغییرات در $\alpha$ به میزان چند میلیونیم تأثیر قابل توجهی بر انبساط کیهان ندارد. اما انبساط به طور قابل توجهی $\alpha $ را به دلیل اختلاف بین انرژی میدان های الکتریکی و مغناطیسی تحت تاثیر قرار می دهد. در طول ده‌ها هزار سال اول تاریخ کیهانی، تابش بر ذرات باردار تسلط داشت و تعادل بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را حفظ کرد. با انبساط جهان، تشعشعات کمیاب شد و ماده به عنصر غالب کیهان تبدیل شد. انرژی های الکتریکی و مغناطیسی نابرابر بودند و $\alpha $ شروع به افزایش نسبت به لگاریتم زمان کرد. تقریباً 6 میلیارد سال پیش، انرژی تاریک شروع به تسلط کرد، و انبساط را تسریع کرد، که انتشار همه فعل و انفعالات فیزیکی در فضای آزاد را دشوار می کند. در نتیجه $\alpha$ دوباره تقریبا ثابت شد.

تصویر توصیف شده با مشاهدات ما مطابقت دارد. خطوط طیفی اختروش مشخص کننده آن دوره از تاریخ کیهانی است که در آن ماده غالب شد و $\alpha$ افزایش یافت. نتایج اندازه گیری ها و مطالعات آزمایشگاهی در Oklo مربوط به دوره ای است که انرژی تاریک غالب است و $\alpha $ ثابت است. مطالعه بیشتر تأثیر تغییر $\alpha$ بر عناصر رادیواکتیو در شهاب‌سنگ‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا به ما امکان می‌دهد تا انتقال بین دو دوره نام‌گذاری شده را مطالعه کنیم.

آلفا فقط شروع است

اگر ثابت ساختار ریز تغییر کند، اجسام مادی باید به طور متفاوتی سقوط کنند. زمانی، گالیله اصل هم ارزی ضعیف را فرموله کرد که بر اساس آن اجسام در خلاء بدون توجه به اینکه از چه ساخته شده اند با همان سرعت سقوط می کنند. اما تغییرات در $\alpha$ باید نیرویی ایجاد کند که بر همه ذرات باردار اثر می گذارد. هرچه یک اتم پروتون بیشتری در هسته خود داشته باشد، قوی تر آن را احساس می کند. اگر نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل نتایج مشاهدات اختروش درست باشد، آنگاه شتاب سقوط آزاد اجسام ساخته شده از مواد مختلف باید تقریباً 1$\cdot$10^(-14)$ متفاوت باشد. این 100 برابر کوچکتر از آن چیزی است که می توان در آزمایشگاه اندازه گیری کرد، اما به اندازه ای بزرگ است که تفاوت در آزمایش هایی مانند STEP (تست اصل هم ارزی در فضا) را نشان دهد.

در مطالعات قبلی روی $\alpha $، دانشمندان ناهمگنی کیهان را نادیده گرفتند. مانند همه کهکشان‌ها، کهکشان راه شیری ما به طور متوسط ​​حدود یک میلیون بار چگال‌تر از فضای بیرونی است، بنابراین با جهان منبسط نمی‌شود. در سال 2003، بارو و دیوید اف. موتا از کمبریج محاسبه کردند که $\alpha$ می تواند در یک کهکشان متفاوت از مناطق خالی فضا رفتار کند. به محض اینکه یک کهکشان جوان متراکم می شود و در حالی که آرام می شود، به تعادل گرانشی می رسد، $\alpha$ در داخل کهکشان ثابت می شود، اما در خارج به تغییر ادامه می دهد. بنابراین، آزمایش‌هایی روی زمین که تداوم $\alpha$ را آزمایش می‌کنند، از یک انتخاب مغرضانه از شرایط رنج می‌برند. ما هنوز باید بفهمیم که چگونه این امر بر تأیید اصل هم ارزی ضعیف تأثیر می گذارد. هیچ گونه تغییرات مکانی $\alpha$ هنوز مشاهده نشده است. بارو اخیراً با تکیه بر همگنی CMB نشان داد که $\alpha $ بیش از 1 $\cdot$ $10^(–8)$ بین نواحی کره آسمانی با فاصله $10^o$ تغییر نمی کند.

باید منتظر ظهور داده های جدید و مطالعات جدید باشیم که در نهایت فرضیه تغییر در $\alpha $ را تایید یا رد کنند. محققان روی این ثابت تمرکز کرده‌اند، صرفاً به این دلیل که تأثیرات ناشی از تغییرات آن آسان‌تر قابل مشاهده است. اما اگر $\alpha$ واقعاً قابل تغییر باشد، سایر ثابت‌ها نیز باید تغییر کنند. در این صورت، باید بپذیریم که مکانیسم‌های درونی طبیعت بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که فکر می‌کردیم.

درباره نویسندگان:
جان بارو (John D. Barrow)، جان وب (John K. Webb) در سال 1996 در طول یک تعطیلی مشترک در دانشگاه ساسکس در انگلستان، مشغول مطالعه ثابت های فیزیکی بودند. سپس بارو به بررسی احتمالات نظری جدید برای تغییر ثابت ها پرداخت و وب درگیر مشاهدات اختروش ها شد. هر دو نویسنده کتاب های غیرداستانی می نویسند و اغلب در برنامه های تلویزیونی ظاهر می شوند.

سفارش- اولین قانون بهشت

الکساندر پاپ

ثابت‌های جهان بنیادی، ثابت‌هایی هستند که اطلاعاتی درباره کلی‌ترین و اساسی‌ترین ویژگی‌های ماده ارائه می‌کنند. اینها، به عنوان مثال، شامل G، c، e، h، m e و غیره هستند. چیزی که این ثابت ها را متحد می کند، اطلاعاتی است که در آنها وجود دارد. بنابراین، ثابت گرانشی G یک مشخصه کمی از تعامل جهانی ذاتی در تمام اجسام جهان - گرانش است. سرعت نور c حداکثر سرعت ممکن انتشار هر فعل و انفعال در طبیعت است. بار ابتدایی e حداقل مقدار ممکن بار الکتریکی است که در طبیعت در حالت آزاد وجود دارد (کوارک هایی با بارهای الکتریکی جزئی ظاهراً در حالت آزاد فقط در پلاسمای کوارک-گلئون داغ و فوق متراکم وجود دارند). مقدار ثابت

نوار h حداقل تغییر را تعیین می کند کمیت فیزیکی، عمل نامیده می شود و نقش اساسی در فیزیک دنیای خرد دارد. جرم سکون m e ​​الکترون مشخصه خواص اینرسی سبک ترین ذره بنیادی باردار پایدار است.

منظور ما از ثابت برخی از نظریه ها، مقداری است که در چارچوب این نظریه، همیشه بدون تغییر در نظر گرفته می شود. وجود ثابت ها در بیان بسیاری از قوانین طبیعت منعکس کننده تغییر ناپذیری نسبی جنبه های خاصی از واقعیت است که در حضور قاعده ها آشکار می شود.

ثابت های بنیادی c، h، e، g و غیره خود برای تمام بخش های متا کهکشان یکسان هستند و در طول زمان تغییر نمی کنند، به همین دلیل به آنها ثابت جهانی می گویند. برخی از ترکیبات ثابت جهان چیزی مهم را در ساختار اشیاء طبیعت تعیین می کنند و همچنین ویژگی تعدادی از نظریه های اساسی را تشکیل می دهند.

اندازه پوسته فضایی را برای پدیده های اتمی تعیین می کند (در اینجا m e جرم الکترون است) و

انرژی های مشخصه برای این پدیده ها; کوانتومی برای یک شار مغناطیسی در مقیاس بزرگ در ابررساناها با کمیت داده می شود

جرم محدود اجرام اخترفیزیکی ساکن با ترکیب زیر تعیین می شود:

که در آن m N جرم نوکلئون است. 120

کل دستگاه ریاضی الکترودینامیک کوانتومی مبتنی بر وجود یک کمیت بی بعد کوچک است.

تعیین شدت برهمکنش های الکترومغناطیسی

تجزیه و تحلیل ابعاد ثابت های اساسی منجر به درک جدیدی از مسئله به عنوان یک کل می شود. ثابت‌های بنیادی بعدی، همانطور که در بالا ذکر شد، نقش خاصی در ساختار نظریه‌های فیزیکی مربوطه دارند. وقتی نوبت به توسعه یک توصیف نظری یکپارچه از همه فرآیندهای فیزیکی، شکل‌گیری تصویر علمی یکپارچه از جهان می‌رسد، ثابت‌های فیزیکی ابعادی جای خود را به ثابت‌های بنیادی بدون بعد می‌دهند، مانند نقش این‌ها.

ثابت در شکل گیری ساختار و ویژگی های جهان بسیار بزرگ است. ثابت ساختار ریز یک مشخصه کمی یکی از چهار نوع برهمکنش بنیادی موجود در طبیعت است - الکترومغناطیسی. علاوه بر برهم کنش الکترومغناطیسی، سایر برهمکنش های اساسی گرانشی، قوی و ضعیف هستند. وجود یک ثابت برهمکنش الکترومغناطیسی بدون بعد

بدیهی است که وجود ثابت‌های بدون بعد مشابه را فرض می‌کند که ویژگی‌های سه نوع دیگر برهمکنش هستند. این ثابت ها همچنین با ثابت های بنیادی بدون بعد زیر مشخص می شوند - ثابت برهم کنش قوی - ثابت اندرکنش ضعیف:

ثابت فرمی کجاست

برای تعاملات ضعیف؛

ثابت برهم کنش گرانشی:

مقادیر عددی ثابت ها تعریف کردن

"قدرت" نسبی این فعل و انفعالات. بنابراین، برهمکنش الکترومغناطیسی حدود 137 برابر ضعیف تر از برهمکنش قوی است. ضعیف ترین برهمکنش گرانشی است که 1039 کمتر از برهمکنش قوی است. ثابت های برهمکنش نیز تعیین می کنند که در فرآیندهای مختلف با چه سرعتی تبدیل یک ذره به ذره دیگر می شود. ثابت برهمکنش الکترومغناطیسی تبدیل هر ذره باردار را به ذرات مشابه، اما با تغییر در حالت حرکت به اضافه یک فوتون، توصیف می کند. ثابت برهمکنش قوی یک مشخصه کمی از تبدیل متقابل باریون ها با مشارکت مزون ها است. ثابت اندرکنش ضعیف، شدت تبدیل ذرات بنیادی را در فرآیندهای شامل نوترینوها و پادنوترینوها تعیین می کند.

لازم است به یک ثابت فیزیکی بی بعد دیگر که بعد فضای فیزیکی را تعیین می کند، اشاره کنیم که آن را با N نشان می دهیم. برای ما مرسوم است که رویدادهای فیزیکی در فضای سه بعدی، یعنی N = 3 رخ می دهد، اگرچه توسعه فیزیک بارها و بارها منجر به ظهور مفاهیمی شده است که در "عقل سلیم" نمی گنجند، اما منعکس کننده فرآیندهای واقعی موجود در طبیعت هستند.

بنابراین، ثابت های بنیادی بعدی "کلاسیک" نقش تعیین کننده ای در ساختار نظریه های فیزیکی مربوطه دارند. از آنها، ثابت های بی بعد بنیادی نظریه یکپارچه برهمکنش ها شکل می گیرد - این ثابت ها و برخی دیگر و همچنین بعد فضای N، ساختار جهان و ویژگی های آن را تعیین می کنند.