“Hajde da sumiramo neke rezultate. Referentna knjiga "Tablice fizičkih veličina" (M.: Atomizdat, 1976) sadrži 1005 stranica teksta i mnogo milijuna brojeva; kako se nositi s njima?

Te se količine dijele u najmanje četiri vrste.

a) Prirodne mjerne jedinice ili fizički označene točke spektra. To nisu brojevi, već takve veličine kao što su G, c, h, m e, e (naboj elektrona). Ovo su dimenzionalne karakteristike nekih pojava koje se mogu reproducirati mnogo puta, sa visok stupanj točnost. To je odraz činjenice da priroda replicira elementarne situacije u ogromnim serijama. Razmišljanja o identitetu sličnih građevnih blokova svemira ponekad su vodila do tako dubokih fizikalnih ideja kao što su Bose-Einsteinova i Fermi-Diracova statistika. Wheelerova fantastična ideja da su svi elektroni identični jer su trenutačni odsječci svjetske linije upleteni u kuglu jednog elektrona, vodi Feynman do elegantnog pojednostavljenja dijagramske tehnike izračuna u kvantnoj teoriji polja.

b) Prave ili bezdimenzionalne konstante. To je omjer više označenih točaka na spektru veličine iste dimenzije, na primjer, omjer masa električnih čestica: već smo spomenuli m p / m e . Identifikacija različitih dimenzija, uzimajući u obzir novi zakon, odnosno redukciju grupe dimenzija, dovodi do objedinjavanja prethodno različitih spektara i potrebe za objašnjenjem novih brojeva.

Na primjer, dimenzije m e , c i h generiraju Newtonovu grupu i stoga dovode do istih prirodnih atomskih jedinica dimenzija M, L, T, kao i Planckovih jedinica. Stoga njihov odnos s Planckovim jedinicama treba teoretsko objašnjenje, ali, kao što smo rekli, to je nemoguće sve dok ne postoji (G, c, h)-teorija. Međutim, u (m e, c, h)-teoriji - kvantnoj elektrodinamici - postoji bezdimenzionalna veličina, čijoj vrijednosti moderna kvantna elektrodinamika u određenom smislu riječi duguje svoje postojanje. Postavimo dva elektrona na udaljenost h/ m e c (tzv. Comptonova valna duljina elektrona) i izmjerimo omjer energije njihova elektrostatskog odbijanja prema energiji m e c 2 koja je ekvivalentna masi mirovanja elektrona. Dobivate broj a \u003d 7,2972 x 10 -3 ≈ 1/137. Ovo je poznata konstanta fine strukture.

Kvantna elektrodinamika posebno opisuje procese u kojima broj čestica nije očuvan: vakuum stvara parove elektron-pozitron, oni se anihiliraju. Zbog činjenice da je proizvodna energija (ne manje od 2m e c 2) stotinama puta veća od energije karakteristične Coulombove interakcije (zbog vrijednosti a), moguće je provesti učinkovitu proračunsku shemu u kojoj te se radijacijske korekcije ne odbacuju u potpunosti, ali niti beznadno "kvare život" teoretičara.

Ne postoji teoretsko objašnjenje za vrijednost α. Matematičari imaju svoje izvanredne spektre: spektre istaknutih linearnih operatora-generatora jednostavnih Liejevih grupa u nesvodljivim reprezentacijama, volumene fundamentalnih domena, dimenzije homoloških i kohomoloških prostora, itd. koji ograničavaju izbor. Ali natrag na konstante.

Njihov sljedeći tip, koji zauzima puno prostora u tablicama, je:

c) Faktori pretvorbe iz jednog mjerila u drugo, na primjer, iz atomskog u "ljudsko". Tu spadaju: već spomenuti broj Avogadro N 0 = 6,02 x 10 23 - u biti jedan gram, izražen u jedinicama "protonske mase", iako je tradicionalna definicija malo drugačija, kao i stvari poput svjetlosne godine u kilometrima. Najodvratniji za matematičara ovdje su, naravno, faktori pretvorbe iz jedne fizički besmislene jedinice u drugu, isto tako besmislenu: iz lakata u stopu ili iz Réaumura u Fahrenheit. Ljudski, ovo su ponekad najvažniji brojevi; kako je Winnie the Pooh mudro primijetio: "Ne znam koliko litara, metara i kilograma ima u njemu, ali tigrovi, kad skaču, nama se čine ogromni."

d) "Difuzni spektri". Ovo je karakteristika materijala (ne elemenata ili čistih spojeva, već uobičajenih tehnoloških vrsta čelika, aluminija, bakra), astronomskih podataka (masa Sunca, promjer Galaksije ...) i mnogih sličnih. Priroda proizvodi kamenje, planete, zvijezde i galaksije, ne mareći za njihovu istovjetnost, za razliku od elektrona, ali ipak se njihove karakteristike mijenjaju samo u prilično određenim granicama. Teorijska objašnjenja ovih "dopuštenih zona", kada se poznaju, iznimno su zanimljiva i poučna.

Manin Yu.I., Matematika kao metafora, M., "MTsNMO Izdavačka kuća", 2010, str. 177-179 (prikaz, ostalo).

Konstanta interakcije

Materijal iz besplatne ruske enciklopedije "Tradicija"

Konstanta interakcije(ponekad izraz konstanta sprezanja) je parametar u teoriji polja koji određuje relativnu snagu bilo koje interakcije između čestica ili polja. U kvantnoj teoriji polja, interakcijske konstante pridružene su vrhovima u odgovarajućim interakcijskim dijagramima. Kao konstante interakcije koriste se bezdimenzionalni parametri i povezane veličine koje karakteriziraju interakcije i imaju dimenzije. Primjeri su bezdimenzijska elektromagnetska interakcija i električna, mjerena u C.

1 Usporedba interakcija 1.1 Gravitacijska interakcija 1.2 Slaba interakcija 1.3 Elektromagnetsko međudjelovanje 1.4 Jaka interakcija 2 Konstante u kvantnoj teoriji polja 3 Konstante u drugim teorijama 3.1 Teorija struna 3.2 jaka gravitacija 3.3 Interakcije na razini zvijezda 4 Linkovi 5 Vidi također 6 Književnost 7 Dodatne poveznice

Usporedba interakcija

Ako odaberemo objekt koji sudjeluje u sve četiri temeljne interakcije, tada su vrijednosti bezdimenzionalnih konstanti interakcije ovog objekta, nađene iz opće pravilo, pokazat će relativnu snagu ovih interakcija. Proton se najčešće koristi kao takav objekt na razini elementarnih čestica. Osnovna energija za usporedbu međudjelovanja je elektromagnetska energija fotona, po definiciji jednaka:

gdje je - , - brzina svjetlosti, - valna duljina fotona. Odabir energije fotona nije slučajan, jer osnova moderna znanost leži valna reprezentacija temeljena na elektromagnetskim valovima. Uz njihovu pomoć vrše se sva osnovna mjerenja - duljina, vrijeme, uključujući i energiju.

Gravitacijska interakcija

Slaba interakcija

Energija povezana sa slabom interakcijom može se predstaviti u sljedećem obliku:

gdje je efektivni naboj slabe interakcije, masa virtualnih čestica koje se smatraju nositeljima slabe interakcije (W- i Z-bozoni).

Kvadrat efektivnog naboja slabe interakcije za proton izražava se preko Fermijeve konstante J m 3 i mase protona:

Na dovoljno malim udaljenostima, eksponencijal u energiji slabe interakcije može se zanemariti. U ovom slučaju, bezdimenzijska konstanta slabe interakcije definirana je na sljedeći način:

Elektromagnetsko međudjelovanje

Elektromagnetsko međudjelovanje dva nepokretna protona opisuje se elektrostatičkom energijom:

gdje - , - .

Omjer ove energije i energije fotona određuje konstantu elektromagnetske interakcije, poznatu kao:

Jaka interakcija

Na razini hadrona u Standardnom modelu fizike čestica smatra se "rezidualnom" interakcijom koja ulazi u hadrone. Pretpostavlja se da gluoni, kao nositelji jake interakcije, generiraju virtualne mezone u prostoru između hadrona. U pion-nukleon Yukawa modelu nuklearne sile između nukleona objašnjene su kao rezultat izmjene virtualnih piona, a energija interakcije ima sljedeći oblik:

gdje je efektivni naboj pseudoskalarne interakcije pion-nukleon, je masa piona.

Bezdimenzijska konstanta jake interakcije je:

Konstante u kvantnoj teoriji polja

Učinci interakcije u teoriji polja često se definiraju korištenjem teorije poremećaja, u kojoj se funkcije u jednadžbama proširuju u potencije konstante interakcije. Obično je za sve interakcije, osim one jake, konstanta interakcije puno manja od jedinice. To čini primjenu teorije poremećaja učinkovitom, budući da doprinos viših članova ekspanzija brzo opada i njihovo izračunavanje postaje nepotrebno. U slučaju jake interakcije, teorija poremećaja postaje neprikladna i potrebne su druge metode proračuna.

Jedno od predviđanja kvantne teorije polja je takozvani efekt "plutajućih konstanti", prema kojem se konstante interakcije sporo mijenjaju s povećanjem energije prenesene tijekom interakcije čestica. Dakle, konstanta elektromagnetske interakcije raste, a konstanta jake interakcije opada s porastom energije. Kvarkovi u kvantnoj kromodinamici imaju svoju jaku interakcijsku konstantu:

gdje je efektivni naboj boje kvarka koji emitira virtualne gluone za interakciju s drugim kvarkom. Sa smanjenjem udaljenosti između kvarkova, postignutim u sudarima čestica visoke energije, očekuje se logaritamsko smanjenje i slabljenje jake interakcije (efekt asimptotske slobode kvarkova). Na ljestvici prenesene energije reda mase-energije Z-bozona (91,19 GeV) utvrđeno je da Na istoj energetskoj ljestvici, konstanta elektromagnetske interakcije raste do vrijednosti reda veličine 1/127 umjesto ≈1/137 pri niskim energijama. Pretpostavlja se da će se pri još višim energijama, oko 10 18 GeV, vrijednosti konstanti gravitacijske, slabe, elektromagnetske i jake interakcije čestica približiti jedna drugoj i čak mogu postati približno jednake jedna drugoj.

Konstante u drugim teorijama

Teorija struna

U teoriji struna, konstante interakcije ne smatraju se konstantama, već su dinamičke prirode. Konkretno, ista teorija pri niskim energijama izgleda kao da se strune kreću u deset dimenzija, a pri visokim energijama - u jedanaest. Promjenu u broju mjerenja prati i promjena konstanti interakcije.

jaka gravitacija

Zajedno s i elektromagnetske sile smatraju se glavnim komponentama jake interakcije u . U ovom modelu, umjesto razmatranja interakcije kvarkova i gluona, uzeta su u obzir samo dva temeljna polja - gravitacijsko i elektromagnetsko, koja djeluju u nabijenoj i masiranoj materiji elementarnih čestica, kao iu prostoru između njih. U isto vrijeme, za kvarkove i gluone se pretpostavlja da nisu stvarne čestice, već kvazičestice, odražavajući kvantna svojstva i simetrije svojstvene hadronskoj materiji. Ovakav pristup drastično smanjuje za fizikalne teorije rekordan broj zapravo neutemeljenih, ali postuliranih slobodnih parametara u standardnom modelu fizike elementarnih čestica, u kojem postoji najmanje 19 takvih parametara.

Druga posljedica je da se slabe i jake interakcije ne smatraju neovisnim interakcijama polja. Jaka interakcija svodi se na kombinacije gravitacijskih i elektromagnetskih sila, pri čemu važnu ulogu imaju efekti kašnjenja interakcije (dipolna i orbitalna torzijska polja i magnetske sile). Prema tome, konstanta jake interakcije određena je analogijom s konstantom gravitacijske interakcije:

Korisno je razumjeti koje su konstante općenito temeljne. Uzmimo, na primjer, brzinu svjetlosti. Osnovna je činjenica da je konačan, a ne njegovo značenje. U smislu da smo odredili udaljenost i vrijeme da je tako. U drugim jedinicama bi bilo drugačije.

Što je onda temeljno? Bezdimenzionalni omjeri i karakteristične sile međudjelovanja, koje se opisuju bezdimenzijskim konstantama međudjelovanja. Grubo govoreći, konstante interakcije karakteriziraju vjerojatnost nekog procesa. Na primjer, elektromagnetska konstanta karakterizira s kojom će se vjerojatnošću elektron raspršiti na protonu.

Pogledajmo kako možemo logično graditi dimenzionalne veličine. Možete unijeti omjer masa protona i elektrona i određenu konstantu elektromagnetske interakcije. Atomi će se pojaviti u našem svemiru. Možete uzeti određeni atomski prijelaz i uzeti frekvenciju emitirane svjetlosti i izmjeriti sve u razdoblju svjetlosnih oscilacija. Ovdje je jedinica vremena. Svjetlost će tijekom tog vremena preletjeti određenu udaljenost, tako da dobivamo jedinicu udaljenosti. Foton s takvom frekvencijom ima neku vrstu energije, ispostavilo se da je jedinica energije. A onda je snaga elektromagnetske interakcije takva da je veličina atoma tolika u našim novim jedinicama. Udaljenost mjerimo kao omjer vremena leta svjetlosti kroz atom i perioda titranja. Ova vrijednost ovisi samo o snazi ​​interakcije. Ako sada definiramo brzinu svjetlosti kao omjer veličine atoma i perioda titranja, dobivamo broj, ali on nije fundamentalan. Sekunda i metar su nam karakteristične ljestvice vremena i udaljenosti. U njima mjerimo brzinu svjetlosti, ali njezina konkretna vrijednost nema fizičko značenje.

Misaoni eksperiment, neka postoji još jedan svemir, gdje je metar točno dvostruko veći od našeg, ali su sve temeljne konstante i odnosi isti. Tada će interakcijama trebati dvostruko više vremena za širenje, a čovjekolika bića će sekundu opažati upola manjom brzinom. Naravno da ne osjete. Kad mjere brzinu svjetlosti, dobit će istu vrijednost kao i mi. Zato što mjere u svojim karakterističnim metrima i sekundama.

Stoga fizičari ne pridaju temeljnu važnost činjenici da je brzina svjetlosti 300 000 km/s. I konstanta elektromagnetske interakcije, takozvana konstanta fine strukture (ona je otprilike 1/137) je priložena.

Štoviše, naravno, konstante temeljnih međudjelovanja (elektromagnetizma, jakih i slabih međudjelovanja, gravitacije) povezanih s odgovarajućim procesima ovise o energijama tih procesa. Elektromagnetska interakcija na skali energije reda mase elektrona je jedna, a na skali reda mase Higgsovog bozona je drugačija, viša. Snaga elektromagnetske interakcije raste s energijom. Ali kako se konstante interakcije mijenjaju s energijom može se izračunati ako znamo kakve čestice imamo i koji su njihovi omjeri svojstava.

Dakle, da bismo u potpunosti opisali fundamentalne interakcije na našoj razini razumijevanja, dovoljno je znati koji skup čestica imamo, omjere masa elementarnih čestica, konstante interakcija na jednoj skali, npr. na skali mase elektrona i omjera sila s kojima svaka pojedina čestica djeluje međudjelovanjem, u elektromagnetskom slučaju to odgovara omjeru naboja (naboj protona jednak je naboju elektrona, jer sila međudjelovanja elektron s elektronom podudara se sa silom interakcije elektrona s protonom, ako bi bila dvostruko veća, tada bi sila bila dvostruko veća, sila se mjeri, ponavljam, u bezdimenzionalnim vjerojatnostima). Pitanje se svodi na to zašto jesu.

Ovdje nije sve jasno. Neki znanstvenici vjeruju da će se pojaviti temeljnija teorija iz koje će se pratiti kako su mase, naboji i tako dalje povezani. Na potonje je, u određenom smislu, odgovoreno teorijama velikog ujedinjenja. Neki ljudi vjeruju da je antropičko načelo na djelu. Odnosno, da su temeljne konstante drugačije, mi jednostavno ne bismo postojali u takvom svemiru.

Kako bi svijet bio nezamislivo čudan kad bi se fizičke konstante mogle mijenjati! Na primjer, takozvana konstanta fine strukture približno je jednaka 1/137. Da ima drugačiju vrijednost, onda možda ne bi bilo razlike između materije i energije.

Postoje stvari koje se nikad ne mijenjaju. Znanstvenici ih nazivaju fizikalnim konstantama ili svjetskim konstantama. Vjeruje se da brzina svjetlosti $c$, gravitacijska konstanta $G$, masa elektrona $m_e$ i neke druge veličine uvijek i svugdje ostaju nepromijenjene. Oni čine osnovu na kojoj se temelje fizičke teorije i određuju strukturu svemira.

Fizičari naporno rade na mjerenju svjetskih konstanti sa sve većom točnošću, ali nitko još nije uspio ni na koji način objasniti zašto su njihove vrijednosti takve kakve jesu. U SI sustavu $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( - 31) $ kg - potpuno nepovezane količine koje imaju samo jedno zajedničko svojstvo: ako se barem malo promijene, i postojanje složenih atomskih struktura, uključujući i žive organizme, bit će pod velikim znakom pitanja. Želja da se opravdaju vrijednosti konstanti postala je jedan od poticaja za razvoj jedinstvene teorije koja u potpunosti opisuje sve postojeće pojave. Uz njegovu pomoć znanstvenici su se nadali pokazati da svaka svjetska konstanta može imati samo jednu moguću vrijednost, zbog unutarnjih mehanizama koji određuju varljivu proizvoljnost prirode.

Najbolji kandidat za titulu objedinjene teorije je M-teorija (varijanta teorije struna), koja se može smatrati konzistentnom ako Svemir nema četiri prostorno-vremenske dimenzije, već jedanaest. Stoga konstante koje opažamo možda zapravo i nisu doista fundamentalne. Prave konstante postoje u punom višedimenzionalnom prostoru, a mi vidimo samo njihove trodimenzionalne "siluete".

PREGLED: SVJETSKE KONSTANTE

1. U mnogim fizikalnim jednadžbama postoje veličine koje se posvuda smatraju stalnima – u prostoru i vremenu.

2. Nedavno su znanstvenici posumnjali u postojanost svjetskih konstanti. Uspoređujući rezultate promatranja kvazara i laboratorijskih mjerenja zaključuju da kemijski elementi u dalekoj prošlosti drugačije su upijali svjetlost nego danas. Razlika se može objasniti promjenom od nekoliko milijuntih dijelova konstante fine strukture.

3. Potvrda čak i tako male promjene bit će prava revolucija u znanosti. Moglo bi se pokazati da su promatrane konstante samo "siluete" pravih konstanti koje postoje u višedimenzionalnom prostor-vremenu.

U međuvremenu, fizičari su došli do zaključka da vrijednosti mnogih konstanti mogu biti rezultat slučajnih događaja i interakcija između elementarnih čestica u ranim fazama povijesti svemira. Teorija struna dopušta postojanje ogromnog broja ($10^(500)$) svjetova s ​​različitim samodosljednim skupovima zakona i konstanti ( vidi Landscape of String Theory, In the World of Science, br. 12, 2004.). Do sada znanstvenici nemaju pojma zašto je odabrana naša kombinacija. Možda će se, kao rezultat daljnjih istraživanja, broj logički mogućih svjetova smanjiti na jedan, no moguće je da je naš Svemir samo mali dio multiverzuma, u kojem su implementirana različita rješenja jednadžbi jedinstvene teorije, a promatramo samo jednu od varijanti zakona prirode ( vidi Paralelni svemiri, U svijetu znanosti, br. 8, 2003 U ovom slučaju za mnoge svjetske konstante nema objašnjenja, osim da čine rijetku kombinaciju koja omogućuje razvoj svijesti. Možda je svemir koji promatramo postao jedna od mnogih izoliranih oaza okruženih beskonačnim beživotnim svemirom - nadrealno mjesto gdje dominiraju nama potpuno tuđe sile prirode, a čestice poput elektrona i strukture poput ugljikovih atoma i molekula DNK jednostavno su nemoguće. Pokušaj stići tamo bio bi fatalan.

Teorija struna također je razvijena kako bi se objasnila prividna proizvoljnost fizikalnih konstanti, tako da njezine osnovne jednadžbe sadrže samo nekoliko proizvoljnih parametara. Ali do sada ne objašnjava promatrane vrijednosti konstanti.

Pouzdan vladar

Zapravo, upotreba riječi "konstanta" nije posve legitimna. Naše se konstante mogu mijenjati u vremenu i prostoru. Kad bi se dodatne prostorne dimenzije promijenile u veličini, konstante u našem trodimenzionalnom svijetu promijenile bi se s njima. A ako pogledamo dovoljno daleko u svemir, mogli bismo vidjeti područja u kojima su konstante poprimile različite vrijednosti. Od 1930-ih znanstvenici su nagađali da konstante možda nisu konstantne. Teorija struna daje ovoj ideji teoretsku uvjerljivost i čini potragu za nepostojanošću još važnijom.

Prvi problem je taj što sama laboratorijska postavka može biti osjetljiva na promjene konstanti. Veličina svih atoma mogla bi se povećati, ali ako bi se i ravnalo koje se koristi za mjerenje produžilo, ništa se ne bi moglo reći o promjeni veličine atoma. Eksperimentatori obično pretpostavljaju da su mjerni standardi (ravnala, utezi, satovi) nepromijenjeni, ali to se ne može postići provjerom konstanti. Istraživači bi trebali obratiti pozornost na bezdimenzionalne konstante - jednostavno brojeve koji ne ovise o sustavu mjernih jedinica, na primjer, omjer mase protona i mase elektrona.

Mijenja li se unutarnja struktura svemira?

Od posebnog je interesa veličina $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, koja kombinira brzinu svjetlosti $c$, električni naboj elektrona $e$, Planckovu konstantu $h$ i tako- zove se vakuumska dielektrična konstanta $\epsilon_0$. Naziva se konstantom fine strukture. Prvi ga je 1916. godine predstavio Arnold Sommerfeld, koji je među prvima pokušao primijeniti kvantna mehanika elektromagnetizmu: $\alpha$ povezuje relativističke (c) i kvantne (h) karakteristike elektromagnetskih (e) interakcija koje uključuju nabijene čestice u praznom prostoru ($\epsilon_0$). Mjerenja su pokazala da je ta vrijednost 1/137,03599976 (približno 1/137).

Kad bi $\alpha $ imao drugačije značenje, onda bi se cijeli svijet promijenio. Bilo da je manje gustoće čvrsta, koji se sastoji od atoma, smanjio bi se (proporcionalno $\alpha^3 $), molekularne bi veze pukle na nižim temperaturama ($\alpha^2 $), a broj stabilnih elemenata u periodnom sustavu mogao bi se povećati ($1/ \alpha $). Kad bi se $\alpha $ pokazalo prevelikim, male atomske jezgre ne bi mogle postojati, jer nuklearne sile koje ih vežu ne bi mogle spriječiti međusobno odbijanje protona. Za $\alpha >0,1 $ ugljik ne bi mogao postojati.

Nuklearne reakcije u zvijezdama posebno su osjetljive na $\alpha $. Da bi došlo do nuklearne fuzije, gravitacija zvijezde mora stvoriti dovoljno visoka temperatura prisiliti jezgre da se približe unatoč njihovoj tendenciji da se međusobno odbijaju. Kad bi $\alpha $ bio veći od 0,1, tada bi fuzija bila nemoguća (osim, naravno, ako drugi parametri, poput omjera masa elektrona i protona, ne ostanu isti). Promjena $\alpha$ za samo 4% utjecala bi na razine energije u jezgri ugljika do te mjere da bi njegovo pojavljivanje u zvijezdama jednostavno prestalo.

Primjena nuklearnih tehnika

Drugi, ozbiljniji, eksperimentalni problem je taj što mjerenje promjena u konstantama zahtijeva opremu visoke preciznosti, koja mora biti izuzetno stabilna. Čak i s atomskim satovima, pomak konstante fine strukture može se pratiti samo nekoliko godina. Ako se $\alpha $ promijeni za više od 4 $\cdot$ $10^(–15)$ u tri godine, najprecizniji sat bi to mogao otkriti. No, ništa takvo još nije zabilježeno. Čini se, zašto ne potvrda postojanosti? Ali tri godine za prostor su trenutak. Spore, ali značajne promjene u povijesti svemira mogu proći nezapaženo.

LAGANA I TRAJNA FINA STRUKTURA

Srećom, fizičari su pronašli druge načine provjere. Sedamdesetih godina prošlog stoljeća znanstvenici iz Francuske komisije za atomsku energiju uočili su neke značajke u izotopskom sastavu rude iz rudnika urana u Oklu u Gabonu ( zapadna Afrika): podsjećao je na otpad iz nuklearnog reaktora. Navodno je prije otprilike 2 milijarde godina u Oklu nastao prirodni nuklearni reaktor ( vidi Divine Reactor, U svijetu znanosti, br. 1, 2004).

Godine 1976. Alexander Shlyakhter s Lenjingradskog instituta za nuklearnu fiziku primijetio je da izvedba prirodnih reaktora kritično ovisi o preciznoj energiji specifičnog stanja samarijeve jezgre koja hvata neutrone. A sama energija je snažno povezana s vrijednošću $\alpha $. Dakle, da je konstanta fine strukture bila malo drugačija, ne bi moglo doći do lančane reakcije. Ali to se stvarno dogodilo, što znači da se u protekle 2 milijarde godina konstanta nije promijenila za više od 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Fizičari nastavljaju raspravljati o točnim kvantitativnim rezultatima zbog neizbježne neizvjesnosti o uvjetima u prirodnom reaktoru.)

Godine 1962. P. James E. Peebles i Robert Dicke sa Sveučilišta Princeton bili su prvi koji su primijenili takvu analizu na drevne meteorite: relativna zastupljenost izotopa koja je rezultat njihovog radioaktivnog raspada ovisi o $\alpha $. Najosjetljivije ograničenje povezano je s beta raspadom u pretvorbi renija u osmij. Prema nedavnom radu Keitha Olivea sa Sveučilišta u Minnesoti i Maxima Pospelova sa Sveučilišta Victoria u Britanskoj Kolumbiji, $\alpha$ se razlikovao od svoje trenutne vrijednosti za 2 $\cdot$ $10^ u vrijeme nastanka meteorita. (– 6)$. Ovaj rezultat manje je precizan od podataka dobivenih na Oklu, ali seže dalje u prošlost, do nastanka Sunčev sustav prije 4,6 milijardi godina.

Kako bi istražili moguće promjene tijekom još dužih vremenskih razdoblja, istraživači moraju gledati u nebesa. Svjetlost udaljenih astronomskih objekata ide do naših teleskopa milijardama godina i nosi pečat zakona i svjetskih konstanti onih vremena kada je tek započela svoj put i interakciju s materijom.

Spektralne linije

Astronomi su se uključili u priču o konstantama nedugo nakon otkrića kvazara 1965. godine, koji su upravo bili otkriveni i identificirani kao izvori sjajne svjetlosti koji se nalaze na velikim udaljenostima od Zemlje. Budući da je put svjetlosti od kvazara do nas tako dug, neizbježno prelazi plinovita susjedstva mladih galaksija. Plin apsorbira svjetlost kvazara na određenim frekvencijama, utiskujući crtični kod od uskih linija preko svog spektra (vidi okvir ispod).

POTRAGA ZA PROMJENAMA KVAZARSKOG ZRAČENJA

Kada plin apsorbira svjetlost, elektroni sadržani u atomima skaču s niskog nivoa razine energije do viših. Razine energije određene su koliko jako atomska jezgra drži elektrone, što ovisi o jačini elektromagnetske interakcije između njih i, prema tome, o konstanti fine strukture. Ako je bilo drugačije u vrijeme kad je svjetlost apsorbirana, ili u nekom određenom području svemira gdje se to dogodilo, tada bi energija potrebna za pomicanje elektrona na novu razinu i valne duljine prijelaza opaženih u spektrima trebale biti biti drugačiji od onoga što se danas promatra u laboratorijskim pokusima. Priroda promjene valnih duljina kritično ovisi o raspodjeli elektrona u atomskim orbitama. Za određenu promjenu $\alpha$, neke se valne duljine smanjuju, dok se druge povećavaju. Složeni obrazac učinaka teško je zamijeniti s pogreškama kalibracije podataka, što takav eksperiment čini iznimno korisnim.

Kada smo prije sedam godina krenuli s radom, suočili smo se s dva problema. Prvo, valne duljine mnogih spektralnih linija nisu izmjerene s dovoljnom točnošću. Začudo, znanstvenici su znali puno više o spektrima kvazara udaljenih milijardama svjetlosnih godina nego o spektrima zemaljskih uzoraka. Trebala su nam visokoprecizna laboratorijska mjerenja da usporedimo spektre kvazara s njima, te smo uvjerili eksperimentatore da naprave odgovarajuća mjerenja. Proveli su ih Anne Thorne i Juliet Pickering s Imperial Collegea u Londonu, a kasnije timovi predvođeni Svenericom Johanssonom sa Zvjezdarnice Lund u Švedskoj, te Ulfom Griesmannom i Rainerom Klingom (Rainer Kling) s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju u Maryland.

Drugi problem bio je taj što su prethodni promatrači koristili takozvane alkalne dublete, parove apsorpcijskih linija koje se pojavljuju u atomskim plinovima ugljika ili silicija. Usporedili su intervale između ovih linija u spektrima kvazara s laboratorijskim mjerenjima. Međutim, ova metoda nije dopuštala iskorištavanje jednog specifičnog fenomena: varijacije u $\alpha $ uzrokuju ne samo promjenu intervala između energetskih razina atoma u odnosu na razinu s najnižom energijom (osnovno stanje), već i također i promjenu položaja samog osnovnog stanja. Zapravo, drugi učinak je još jači od prvog. Kao rezultat toga, točnost opažanja bila je samo 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

Godine 1999. jedan od autora rada (Web) i Victor V. Flambaum sa Sveučilišta New South Wales u Australiji razvili su tehniku ​​za uzimanje u obzir oba učinka. Kao rezultat toga, osjetljivost je povećana za 10 puta. Osim toga, postalo je moguće usporediti različite vrste atoma (npr. magnezija i željeza) i provesti dodatne unakrsne provjere. Morali su se izvesti komplicirani izračuni kako bi se točno utvrdilo kako opažene valne duljine variraju u različitim vrstama atoma. Naoružani najsuvremenijim teleskopima i senzorima, odlučili smo testirati postojanost $\alpha$ s neviđenom točnošću koristeći novu metodu mnogih multipleta.

Revizija pogleda

Kad smo započeli pokuse, jednostavno smo željeli s većom točnošću utvrditi da je vrijednost konstante fine strukture u davna vremena bila ista kao danas. Na naše iznenađenje, rezultati dobiveni 1999. godine pokazali su male, ali statistički značajne razlike, koje su naknadno potvrđene. Koristeći podatke iz 128 apsorpcijskih linija kvazara, zabilježili smo povećanje $\alpha$ za 6 $\cdot$ $10^(–6)$ u proteklih 6–12 milijardi godina.

Rezultati mjerenja konstante fine strukture ne dopuštaju donošenje konačnih zaključaka. Neki od njih govore da je nekada bio manji nego sada, a neki nisu. Možda se α promijenio u dalekoj prošlosti, ali je sada postao konstantan. (Kutići predstavljaju raspon podataka.)

Odvažne tvrdnje zahtijevaju čvrste dokaze, pa je naš prvi korak bio pažljivo pregledati naše metode prikupljanja podataka i analize. Pogreške mjerenja mogu se podijeliti u dvije vrste: sustavne i slučajne. Uz slučajne netočnosti, sve je jednostavno. U svakoj pojedinoj dimenziji zauzimaju različita značenja, koji se kod velikog broja mjerenja usrednjavaju i teže nuli. Sa sustavnim pogreškama koje nisu izmjerene u prosjeku teže se nositi. U astronomiji se nesigurnosti ove vrste susreću na svakom koraku. U laboratorijskim eksperimentima, instrumenti se mogu ugoditi kako bi se pogreške svele na minimum, ali astronomi ne mogu "ugoditi" svemir i moraju priznati da sve njihove metode prikupljanja podataka sadrže inherentne pristranosti. Na primjer, promatrana prostorna distribucija galaksija izrazito je pristrana prema svijetlim galaksijama jer ih je lakše promatrati. Identificiranje i neutraliziranje takvih pomaka stalni je izazov za promatrače.

Prvo smo skrenuli pozornost na moguću distorziju skale valne duljine, u odnosu na koju su mjerene spektralne linije kvazara. Moglo bi nastati, primjerice, tijekom obrade "sirovih" rezultata promatranja kvazara u kalibrirani spektar. Iako jednostavno linearno istezanje ili smanjivanje ljestvice valnih duljina ne bi moglo točno oponašati promjenu $\alpha$, čak bi i približna sličnost bila dovoljna da objasni rezultate. Postupno smo eliminirali jednostavne pogreške povezane s distorzijama zamjenom podataka kalibracije umjesto rezultata promatranja kvazara.

Više od dvije godine istražujemo različite uzroke pristranosti kako bismo bili sigurni da je njihov utjecaj zanemariv. Pronašli smo samo jedan potencijalni izvor ozbiljnih grešaka. Govorimo o linijama apsorpcije magnezija. Svaki od njegova tri stabilna izotopa apsorbira svjetlost različitih valnih duljina, koje su vrlo blizu jedna drugoj i vidljive su u spektrima kvazara kao jedna linija. Na temelju laboratorijskih mjerenja relativne zastupljenosti izotopa, istraživači prosuđuju doprinos svakog od njih. Njihova raspodjela u mladom Svemiru mogla bi biti znatno drugačija od današnje da su zvijezde koje emitiraju magnezij bile, u prosjeku, teže od svojih današnjih kopija. Takve bi razlike mogle oponašati promjenu u $\alpha$. Ali rezultati studije objavljene ove godine pokazuju da opažene činjenice nije tako lako objasniti. Yeshe Fenner i Brad K. Gibson s Tehnološkog sveučilišta Swinburne u Australiji i Michael T. Murphy sa Sveučilišta Cambridge zaključili su da bi obilje izotopa potrebno za oponašanje $\alpha$ promjene također dovelo do prekomjerne sinteze dušika u ranoj fazi Svemir, što je potpuno nedosljedno opažanjima. Dakle, moramo živjeti s mogućnošću da se $\alpha$ promijenio.

PONEKAD SE PROMIJENI, PONEKAD NE

Prema hipotezi koju su iznijeli autori članka, u nekim je razdobljima kozmičke povijesti konstanta fine strukture ostala nepromijenjena, dok se u drugim povećala. Eksperimentalni podaci (vidi prethodni umetak) u skladu su s ovom pretpostavkom.

Znanstvena zajednica odmah je shvatila važnost naših rezultata. Istraživači spektra kvazara diljem svijeta odmah su krenuli s mjerenjima. Godine 2003. istraživački timovi Sergeja Levšakova (Sergei Levshakov) s Peterburškog instituta za fiziku i tehnologiju. Ioffe i Ralf Quast sa Sveučilišta u Hamburgu proučavali su tri nova sustava kvazara. Prošle su godine Hum Chand i Raghunathan Srianand iz Međusveučilišnog centra za astronomiju i astrofiziku u Indiji, Patrick Petitjean s Instituta za astrofiziku i Bastien Aracil s LERMA-e u Parizu analizirali još 23 slučaja. Nijedna od grupa nije pronašla promjene na $\alpha$. Chand tvrdi da svaka promjena između 6 i 10 milijardi godina mora biti manja od jednog milijuntog dijela.

Zašto su slične metodologije korištene za analizu različitih izvora podataka dovele do tako drastične razlike? Odgovor još nije poznat. Rezultati koje su dobili ovi istraživači izvrsne su kvalitete, ali su veličina njihovih uzoraka i starost analiziranog zračenja znatno manji od naših. Osim toga, Chand je koristio pojednostavljenu verziju multimultiplet metode i nije u potpunosti procijenio sve eksperimentalne i sustavne pogreške.

Poznati astrofizičar John Bahcall s Princetona kritizirao je samu multimultiplet metodu, no problemi na koje ukazuje su u kategoriji slučajnih pogrešaka, koje su minimizirane kada se koriste veliki uzorci. Bacall i Jeffrey Newman iz Nacionalnog laboratorija. Lawrence na Berkeleyu razmatrao je linije emisije, a ne linije apsorpcije. Njihov je pristup mnogo manje precizan, iako bi se mogao pokazati korisnim u budućnosti.

Reforma zakonodavstva

Ako su naši rezultati točni, posljedice će biti ogromne. Sve do nedavno, svi pokušaji da se procijeni što bi se dogodilo sa Svemirom ako se promijeni konstanta fine strukture bili su nezadovoljavajući. Nisu otišli dalje od razmatranja $\alpha$ kao varijable u istim formulama koje su dobivene pod pretpostavkom da je konstanta. Slažem se, vrlo sumnjiv pristup. Ako se $\alpha $ promijeni, tada bi energija i zamah u učincima povezanim s njim trebali biti očuvani, što bi trebalo utjecati na gravitacijsko polje u Svemiru. Godine 1982. Jacob D. Bekenstein s Hebrejskog sveučilišta u Jeruzalemu prvi je generalizirao zakone elektromagnetizma na slučaj nekonstantnih konstanti. U njegovoj teoriji, $\alpha $ se smatra dinamičkom komponentom prirode, tj. poput skalarnog polja. Prije četiri godine, jedan od nas (Barrow), zajedno s Håvardom Sandvikom i Joãom Magueiom s Imperial Collegea u Londonu, proširio je Bekensteinovu teoriju na gravitaciju.

Predviđanja generalizirane teorije su primamljivo jednostavna. Budući da je elektromagnetizam na kozmičkoj razini puno slabiji od gravitacije, promjene u $\alpha$ za nekoliko milijuntih dijelova nemaju primjetan učinak na širenje Svemira. Ali širenje značajno utječe na $\alpha $ zbog neslaganja između energija električnog i magnetskog polja. Tijekom prvih desetaka tisuća godina kozmičke povijesti, zračenje je dominiralo nabijenim česticama i održavalo ravnotežu između električnih i magnetskih polja. Kako se svemir širio, zračenje je postalo razrijeđeno, a materija je postala dominantan element kozmosa. Pokazalo se da su električna i magnetska energija nejednake i $\alpha $ je počeo rasti proporcionalno logaritmu vremena. Prije otprilike 6 milijardi godina počela je dominirati tamna energija, ubrzavajući širenje, što otežava širenje svih fizičkih interakcija u slobodnom prostoru. Kao rezultat toga, $\alpha$ je ponovno postao gotovo konstantan.

Opisana slika je u skladu s našim zapažanjima. Spektralne linije kvazara karakteriziraju to razdoblje kozmičke povijesti kada je materija dominirala i $\alpha$ se povećavao. Rezultati laboratorijskih mjerenja i studija u Oklu odgovaraju razdoblju u kojem dominira tamna energija, a $\alpha$ je konstantan. Posebno je zanimljivo daljnje proučavanje utjecaja promjene $\alpha$ na radioaktivne elemente u meteoritima, jer nam omogućuje proučavanje prijelaza između dva navedena razdoblja.

Alpha je tek početak

Ako se konstanta fine strukture mijenja, tada materijalni objekti moraju drugačije pasti. Svojedobno je Galileo formulirao načelo slabe ekvivalencije prema kojem tijela u vakuumu padaju istom brzinom, bez obzira od čega su građena. Ali promjene u $\alpha$ moraju generirati silu koja djeluje na sve nabijene čestice. Što više protona atom sadrži u svojoj jezgri, to će ga jače osjetiti. Ako su zaključci izvedeni iz analize rezultata promatranja kvazara točni, tada bi se ubrzanje slobodnog pada tijela izrađenih od različitih materijala trebalo razlikovati za približno 1 $\cdot$ $10^(–14)$. To je 100 puta manje od onoga što se može izmjeriti u laboratoriju, ali dovoljno veliko da pokaže razlike u eksperimentima kao što je STEP (Testiranje principa ekvivalencije u svemiru).

U prethodnim studijama $\alpha $, znanstvenici su zanemarili nehomogenost Svemira. Kao i sve galaksije, naša Mliječna staza u prosjeku je oko milijun puta gušća od svemira, tako da se ne širi sa svemirom. Godine 2003. Barrow i David F. Mota iz Cambridgea izračunali su da bi se $\alpha$ mogla ponašati drugačije unutar galaksije nego u praznijim područjima svemira. Čim se mlada galaksija kondenzira i, dok se opušta, dođe u gravitacijsku ravnotežu, $\alpha$ postaje konstantan unutar galaksije, ali nastavlja se mijenjati izvan nje. Stoga eksperimenti na Zemlji koji testiraju postojanost $\alpha$ pate od pristranog odabira uvjeta. Tek trebamo otkriti kako to utječe na provjeru načela slabe ekvivalencije. Još nisu uočene prostorne varijacije $\alpha$. Oslanjajući se na homogenost CMB-a, Barrow je nedavno pokazao da $\alpha $ ne varira za više od 1 $\cdot$ $10^(–8)$ između područja nebeske sfere razmaknutih za $10^o$.

Ostaje nam pričekati pojavu novih podataka i novih studija koje će konačno potvrditi ili opovrgnuti hipotezu o promjeni $\alpha $. Istraživači su se usredotočili na ovu konstantu jednostavno zato što su učinci zbog njezinih varijacija lakše vidljivi. Ali ako je $\alpha$ doista promjenjiv, onda se i druge konstante moraju promijeniti. U ovom slučaju, morat ćemo priznati da su unutarnji mehanizmi prirode mnogo kompliciraniji nego što smo mislili.

O AUTORIMA:
John Barrow (John D. Barrow), John Web (John K. Webb) bavio se proučavanjem fizikalnih konstanti 1996. godine tijekom zajedničkog odmora na Sveučilištu Sussex u Engleskoj. Zatim je Barrow istraživao nove teorijske mogućnosti za promjenu konstanti, a Web se bavio promatranjem kvazara. Oba autora pišu publicističke knjige i često se pojavljuju na televiziji.

Narudžba- prvi zakon neba.

Aleksandar Pop

Fundamentalne svjetske konstante su takve konstante koje daju informacije o najopćenitijim, temeljnim svojstvima materije. Tu, na primjer, spadaju G, c, e, h, m e itd. Zajedničko što spaja ove konstante je informacija koju sadrže. Dakle, gravitacijska konstanta G je kvantitativna karakteristika univerzalne interakcije svojstvene svim objektima svemira - gravitacije. Brzina svjetlosti c najveća je moguća brzina širenja bilo koje interakcije u prirodi. Elementarni naboj e je minimalna moguća vrijednost električnog naboja koji postoji u prirodi u slobodnom stanju (kvarkovi s frakcijskim električnim nabojem, očito, u slobodnom stanju postoje samo u supergustoj i vrućoj kvark-gluonskoj plazmi). Konstantno

Traka h određuje minimalnu promjenu fizička količina, koja se naziva akcija, i igra temeljnu ulogu u fizici mikrosvijeta. Masa mirovanja m e elektrona je karakteristika inercijskih svojstava najlakše stabilne nabijene elementarne čestice.

Pod konstantom neke teorije podrazumijevamo vrijednost za koju se u okviru te teorije smatra da je uvijek nepromijenjena. Prisutnost konstanti u izrazima mnogih zakona prirode odražava relativnu nepromjenjivost određenih aspekata stvarnosti, koja se očituje u prisutnosti pravilnosti.

Same temeljne konstante c, h, e, G, itd. iste su za sve dijelove Metagalaksije i ne mijenjaju se tijekom vremena, zbog toga se nazivaju svjetskim konstantama. Neke kombinacije svjetskih konstanti određuju nešto važno u strukturi prirodnih objekata, a također tvore karakter niza temeljnih teorija.

određuje veličinu prostorne ljuske za atomske pojave (ovdje je m e masa elektrona), i

Karakteristične energije za ove pojave; kvant za veliki magnetski tok u supravodičima dan je količinom

granična masa stacionarnih astrofizičkih objekata određena je kombinacijom:

gdje je m N masa nukleona; 120

cijeli matematički aparat kvantne elektrodinamike temelji se na postojanju male bezdimenzionalne veličine

određivanje intenziteta elektromagnetskih međudjelovanja.

Analiza dimenzija temeljnih konstanti dovodi do novog razumijevanja problema u cjelini. Individualne dimenzionalne fundamentalne konstante, kao što je gore navedeno, igraju određenu ulogu u strukturi odgovarajućih fizikalnih teorija. Kada je u pitanju razvoj jedinstvenog teorijskog opisa svih fizikalnih procesa, formiranje jedinstvene znanstvene slike svijeta, dimenzionalne fizikalne konstante ustupaju mjesto bezdimenzionalnim fundamentalnim konstantama poput uloge ovih

konstante u formiranju strukture i svojstava svemira vrlo je velika. Konstanta fine strukture je kvantitativna karakteristika jedne od četiri vrste temeljnih interakcija koje postoje u prirodi – elektromagnetske. Osim elektromagnetske interakcije, ostale temeljne interakcije su gravitacijske, jake i slabe. Postojanje bezdimenzijske konstante elektromagnetske interakcije

Očito, pretpostavlja prisutnost sličnih bezdimenzionalnih konstanti, koje su karakteristike ostale tri vrste interakcija. Ove konstante karakteriziraju i sljedeće bezdimenzionalne temeljne konstante - konstanta jake interakcije - konstanta slabe interakcije:

gdje je Fermijeva konstanta

za slabe interakcije;

konstanta gravitacijske interakcije:

Numeričke vrijednosti konstanti odrediti

relativna "snaga" tih interakcija. Dakle, elektromagnetsko međudjelovanje je oko 137 puta slabije od jakog. Najslabija je gravitacijska interakcija, koja je za 10 39 manja od jake. Konstante međudjelovanja određuju i brzinu transformacija jedne čestice u drugu u različitim procesima. Konstanta elektromagnetske interakcije opisuje transformaciju bilo koje nabijene čestice u iste čestice, ali s promjenom stanja gibanja plus foton. Konstanta jake interakcije je kvantitativna karakteristika međusobnih transformacija bariona uz sudjelovanje mezona. Konstanta slabe interakcije određuje intenzitet transformacija elementarnih čestica u procesima koji uključuju neutrine i antineutrine.

Potrebno je uočiti još jednu bezdimenzionalnu fizikalnu konstantu koja određuje dimenziju fizičkog prostora, a koju označavamo s N. Kod nas je uobičajeno da se fizikalni događaji odvijaju u trodimenzionalnom prostoru, tj. N = 3, iako je razvoj fizika je opetovano dovela do pojave pojmova koji se ne uklapaju u "zdrav razum", već odražavaju stvarne procese koji postoje u prirodi.

Dakle, "klasične" dimenzionalne temeljne konstante igraju odlučujuću ulogu u strukturi odgovarajućih fizikalnih teorija. Iz njih se formiraju temeljne bezdimenzionalne konstante jedinstvene teorije interakcija - Ove konstante i neke druge, kao i dimenzija prostora N, određuju strukturu Svemira i njegova svojstva.