イスラエルの無次元原子定数。 非定数定数
「いくつかの結果をまとめてみましょう。 参考図書「Tables of Physical Quantities」（モスクワ：アトミズダット、1976 年）には、1005 ページのテキストと何百万もの数値が含まれています。 それらをどのように理解すればよいでしょうか？
これらの量は少なくとも 4 種類に分類されます。
a) 自然な測定単位、またはスペクトルの物理的にマークされた点。 これらは数字ではなく、G、c、h、me、e（電子の電荷）などの量です。 これらは、何度でも再現できるいくつかの現象の次元特性です。 高度な正確さ。 これは、自然が基本的な状況を巨大な系列で再現するという事実を反映しています。 このような宇宙の構成要素の正体についての考察は、ボーズ・アインシュタイン統計やフェルミ・ディラック統計などの深い物理的アイデアにつながることがありました。 すべての電子は、1 つの電子のもつれた世界線の瞬間的な部分を表すため、同一であるというウィーラーの素晴らしいアイデアは、 ファインマン場の量子論における図式計算手法をエレガントに単純化したものです。
b) 真の、または無次元の定数。 これらは、一次元の量のスペクトル上のいくつかのマークされた点の比です。たとえば、電気粒子の質量の比です。既に m p / m e について言及しました。 新しい法則、つまり次元グループの縮小を考慮しながら異なる次元を特定すると、以前は異なっていたスペクトルが統合され、新しい数値を説明する必要が生じます。
たとえば、次元 m e 、 c および h はニュートン群を生成するため、プランク単位と同じ次元 M、L、T の自然原子単位が得られます。 したがって、プランク単位との関係を理論的に説明する必要がありますが、前述したように、(G, c, h) 理論が存在するまではこれは不可能です。 しかし、(m e, c, h) 理論 - 量子電気力学 - には無次元量が存在し、現代の量子電気力学は、ある意味でその存在価値に貢献しています。 2 つの電子を h/m e c (電子のいわゆるコンプトン波長) の距離に配置し、それらの静電反発エネルギーと電子の静止質量に相当するエネルギー m e c 2 の比を測定してみましょう。 結果は、a = 7.2972 x 10 -3 ≈ 1/137 となります。 これは有名な微細構造定数です。
量子電気力学では、特に、粒子の数が保存されないプロセス、つまり真空によって電子と陽電子の対が生成され、それらが消滅するプロセスについて説明します。 生成エネルギー (2m e c 2 以上) は、特徴的なクーロン相互作用のエネルギー (a の値による) よりも数百倍大きいという事実により、次のような効果的な計算スキームを実行することが可能です。これらの放射補正は完全に破棄されるわけではありませんが、理論家の「人生を絶望的に台無しにする」わけでもありません。
α の値については理論的な説明はありません。 数学者は独自の素晴らしいスペクトルを持っています。既約表現における単純なリー群の線形演算子生成子のスペクトル、基本領域の体積、ホモロジーおよびコホモロジー空間の次元などです。数学者のスペクトルと物理学者はオープンです - むしろ原則が必要であり、選択肢が限られています。 しかし、定数に戻りましょう。
次のタイプは、テーブル内で多くのスペースを占有します。
c) あるスケールから別のスケールへの変換係数。たとえば、原子から「人間」へ。 これらには次のものが含まれます: すでに言及した数字 アボガドロ N0 = 6.02 x 1023 - 本質的に 1 グラムは「陽子質量」の単位で表されますが、伝統的な定義は若干異なります。また、キロメートル単位の光年などと同様です。 もちろん、ここでの数学者にとって最もうんざりするのは、物理的に意味のない単位から、同じように意味のない別の単位への移行係数です。つまり、キュビットからフィート、またはレオミュールから華氏への移行係数です。 人間の観点から言えば、これらは最も重要な数字となることがあります。 くまのプーさんは賢明にも次のように述べています。「その中に何リットル、何メートル、何キログラムあるのかは分かりませんが、トラがジャンプすると、私たちには大きく見えるのです。」
d) 「拡散スペクトル」。 これは、材料 (元素や純粋な化合物ではなく、通常の技術グレードの鋼、アルミニウム、銅)、天文データ (太陽の質量、銀河の直径など) および多くの同種の特性です。 自然は、電子とは異なり、それらの同一性を気にせずに石、惑星、星、銀河を生成しますが、それでもそれらの特性はかなり一定の範囲内でのみ変化します。 これらの「許可されたゾーン」の理論的説明は、一度知られると、非常に興味深く、有益になる可能性があります。」
Manin Yu.I.、メタファーとしての数学、M.、「MCNMO Publishing House」、2010 年、p. 177-179。
相互作用定数
ロシアのフリー百科事典「伝統」からの資料
相互作用定数(この用語が使われることもあります) 結合定数) は、粒子または場の相互作用の相対的な強さを決定する場理論のパラメーターです。 場の量子理論では、相互作用定数は、対応する相互作用図の頂点に関連付けられます。 相互作用を特徴づけ、次元を持つ無次元パラメーターと関連量の両方が相互作用定数として使用されます。 例としては、C で測定される無次元の電磁相互作用と電気相互作用があります。
|
インタラクションの比較
4 つの基本的な相互作用すべてに参加するオブジェクトを選択した場合、このオブジェクトの無次元相互作用定数の値は次のように求められます。 原則、これらの相互作用の相対的な強さを示します。 素粒子レベルの物体として最もよく使われるのは陽子です。 相互作用を比較するための基本エネルギーは光子の電磁エネルギーであり、定義により、これは次と等しくなります。
ここで、 - 、 - 光の速度、 - 光子の波長。 光子エネルギーの選択は偶然ではありません。 現代科学電磁波をベースにした波の概念があります。 彼らの助けを借りて、長さ、時間、エネルギーなど、すべての基本的な測定が行われます。
重力相互作用
弱い相互作用
弱い相互作用に関連するエネルギーは次のように表すことができます。
ここで、 は弱い相互作用の有効電荷、 は弱い相互作用のキャリアであると考えられる仮想粒子 (W ボソンおよび Z ボソン) の質量です。
陽子の有効な弱い相互作用電荷の二乗は、フェルミ定数 J m3 と陽子の質量で表されます。
十分に短い距離では、弱い相互作用エネルギーの指数関数は無視できます。 この場合、無次元の弱い相互作用定数は次のように定義されます。
電磁相互作用
2 つの静止陽子の電磁相互作用は、静電エネルギーによって記述されます。
どこ - 、 - 。
このエネルギーと光子エネルギーの比によって、次のように知られる電磁相互作用定数が決まります。
強力な相互作用
ハドロンレベルでは、素粒子物理学の標準モデルはハドロンに含まれる「残留」相互作用であると考えられています。 グルーオンは強い相互作用の伝達者として、ハドロン間の空間に仮想中間子を生成すると考えられています。 湯川パイオン核子モデルでは、核子間の核力は仮想パイオンの交換の結果として説明され、相互作用エネルギーは次の形式になります。
ここで、 は擬スカラーパイオン核子相互作用の有効電荷、 はパイオンの質量です。
無次元の強い相互作用定数は次のとおりです。
場の量子論における定数
場の理論における相互作用の効果は、方程式内の関数が相互作用定数の累乗で展開される摂動理論を使用して決定されることがよくあります。 通常、強い相互作用を除くすべての相互作用では、相互作用定数は 1 より大幅に小さくなります。 これにより、展開の主要項からの寄与が急速に減少し、それらの計算が不要になるため、摂動理論の使用が効果的になります。 強い相互作用の場合、摂動理論は適切ではなくなり、他の計算方法が必要になります。
場の量子理論の予測の 1 つは、いわゆる「浮動定数」効果であり、これによると、粒子の相互作用中に伝達されるエネルギーの増加に伴って相互作用定数がゆっくりと変化します。 したがって、エネルギーの増加とともに電磁相互作用定数は増加し、強い相互作用定数は減少します。 量子色力学のクォークについては、クォーク自体の強い相互作用定数が導入されます。
ここで、 は別のクォークと相互作用するために仮想グルーオンを放出するクォークの実効色電荷です。 高エネルギー粒子の衝突によってクォーク間の距離が減少すると、対数的に減少し、強い相互作用が弱まることが予想されます（クォークの漸近的自由の効果）。 Z ボソンの質量エネルギー (91.19 GeV) 程度の転移エネルギーのスケールでは、次のことがわかります。 
同じエネルギースケールでは、電磁相互作用定数は、低エネルギーでは約 1/137 ではなく、1/127 程度の値に増加します。 10 18 GeV 程度のさらに高いエネルギーでは、粒子の重力、弱い相互作用、電磁相互作用、および強い相互作用の定数の値が収束し、互いにほぼ等しくなる可能性さえあると想定されています。
他の理論における定数
ストリング理論
弦理論では、相互作用定数は定数とはみなされませんが、本質的には動的です。 特に、低エネルギーでは同じ理論で弦が 10 次元で動き、高エネルギーでは 11 次元で動くように見えます。 次元数の変化には相互作用定数の変化が伴います。
強い重力
および電磁力とともに、強い相互作用の主な構成要素と考えられます。 このモデルでは、クォークとグルーオンの相互作用を考慮する代わりに、重力と電磁という 2 つの基本的な場のみが考慮されます。これらは、素粒子の荷電物質と質量物質、およびそれらの間の空間に作用します。 この場合、クォークとグルーオンは実際の粒子ではなく、ハドロン物質に固有の量子特性と対称性を反映する準粒子であると想定されます。 このアプローチにより、素粒子物理学の標準モデルには少なくとも 19 個のそのようなパラメーターがある、事実上根拠はないが仮定された自由パラメーターの物理理論の記録数が大幅に減少します。
もう 1 つの結果は、弱い相互作用と強い相互作用が独立した場の相互作用とはみなされないことです。 強い相互作用は重力と電磁力の組み合わせに帰着し、相互作用遅延効果 (双極子および軌道ねじれ場と磁力) が大きな役割を果たします。 したがって、強い相互作用定数は重力相互作用定数との類推により決定されます。
どの定数が基本であるかを理解すると役に立ちます。 たとえば、光速というものがあります。 それが有限であるという事実が根本的なことであり、その意味ではありません。 彼女がそうなるように距離と時間を決めたという意味で。 他のユニットではまた違うでしょう。
では、基本的なものは何でしょうか？ 無次元の関係と特徴的な相互作用力。無次元の相互作用定数によって記述されます。 大まかに言えば、相互作用定数はプロセスの確率を特徴づけます。 たとえば、電磁定数は、電子が陽子によって散乱される確率を特徴付けます。
ディメンション値を論理的に構築する方法を見てみましょう。 陽子と電子の質量比と特定の電磁相互作用定数を入力できます。 私たちの宇宙に原子が出現します。 特定の原子遷移を取得し、発せられる光の周波数を取得し、光の振動周期におけるすべてを測定できます。 ここで時間の単位が決まります。 この間、光はある程度の距離を飛ぶので、距離の単位が得られます。 このような周波数の光子は何らかのエネルギーを持ち、その結果がエネルギーの単位となります。 そして、電磁相互作用の強さは、原子のサイズが私たちの新しい単位では非常に大きくなるほどです。 距離は、光が原子を通過するのにかかる時間と振動の周期の比として測定されます。 この値は相互作用の強さにのみ依存します。 ここで、光の速度を原子の大きさと振動周期の比として定義すると、数値が得られますが、これは基本的なものではありません。 秒とメートルは、私たちにとって時間と距離の特徴的な尺度です。 それらでは光の速度を測定しますが、その特定の値には物理的な意味はありません。
思考実験として、メートルがちょうど私たちの宇宙の 2 倍であるが、基本的な定数と関係はすべて同じである別の宇宙があったとします。 その場合、相互作用の伝播には 2 倍の時間がかかり、人間に似た生き物は 2 番目の相互作用を 2 倍遅く認識することになります。 もちろん、彼らはそれをまったく感じないだろう。 彼らが光の速度を測定すると、私たちと同じ値が得られます。 なぜなら、彼らはその特徴的なメートルと秒で測定するからです。
したがって、物理学者は光の速度が秒速 300,000 km であるという事実を基本的に重要視していません。 そして、電磁相互作用の定数、いわゆる微細構造定数（約1/137）が与えられます。
さらに、当然のことながら、対応するプロセスに関連する基本的な相互作用 (電磁気、強い相互作用と弱い相互作用、重力) の定数は、これらのプロセスのエネルギーに依存します。 電子の質量程度のエネルギースケールでの電磁相互作用と、ヒッグス粒子の質量程度のスケールでの電磁相互作用は異なり、より高いものとなります。 電磁相互作用の強度はエネルギーとともに増加します。 しかし、相互作用定数がエネルギーに応じてどのように変化するかは、どのような粒子があり、それらの特性関係が何であるかを知ることで計算できます。
したがって、私たちの理解レベルで基本的な相互作用を完全に説明するには、どのような粒子のセットが存在するのか、素粒子の質量の比、あるスケールでの相互作用定数、たとえば次のスケールでの相互作用定数を知るだけで十分です。電子の質量、および特定の各粒子が相互作用する力の比。電磁気の場合、これは電荷比に相当します（陽子の電荷は電子の電荷に等しいため、相互作用の力は次のとおりです）。電子と電子は、電子と陽子の相互作用の力と一致します。もしその大きさが 2 倍であれば、その力も 2 倍の大きさになります。力は、繰り返しますが、無次元の確率で測定されます。) 問題は、なぜ彼らがこのようになるのかということです。
ここではすべてが不明瞭です。 一部の科学者は、質量、電荷などがどのように関係しているかを追跡する、より基本的な理論が出現すると信じています。 大統一理論はある意味で後者に答えます。 人間原理が働いていると信じている人もいます。 つまり、もし基本定数が違っていたら、私たちはそのような宇宙には存在していないでしょう。
物理定数が変化する可能性があるとしたら、想像を絶する奇妙な世界になるでしょう。 例えば、いわゆる微細構造定数は約１／１３７である。 もし大きさが違っていたら、物質とエネルギーの間に違いはなくなるかもしれません。
決して変わらないものもあります。 科学者はそれらを物理定数、または世界定数と呼びます。 光の速度 $c$、重力定数 $G$、電子の質量 $m_e$ およびその他の量は、いつでもどこでも変化しないと考えられています。 それらは物理理論の基礎を形成し、宇宙の構造を決定します。
物理学者は、世界の定数をますます正確に測定しようと懸命に取り組んでいますが、なぜその値がそのようになるのかを何らかの方法で説明できる人はまだ誰もいません。 SI 系では $c = 299792458$ m/s、$G = 6.673\cdot 10^(–11)Н\cdot$m$^2$/kg$^2$、$m_e = 9.10938188\cdot10^( – 31) $ kg はまったく無関係な量であり、共通の性質が 1 つだけあります。それらが少しでも変化すると、生物を含む複雑な原子構造の存在に大きな疑問が生じます。 定数の値を実証したいという欲求は、すべての既存の現象を完全に説明する統一理論の開発への動機の 1 つになりました。 その助けを借りて、科学者たちは、各世界定数が、自然の欺瞞的な恣意性を決定する内部メカニズムによって決定される、可能な値を 1 つだけ持つことができることを証明したいと考えました。
統一理論のタイトルに最適な候補は M 理論 (ひも理論の変形) であると考えられており、宇宙の時空次元が 4 次元ではなく 11 次元である場合、この理論は有効であると考えられます。 したがって、私たちが観察する定数は、実際には真に基本的なものではない可能性があります。 真の定数は完全な多次元空間に存在し、私たちにはその 3 次元の「シルエット」しか見えません。
レビュー: 世界の定数
1. 多くの物理方程式には、空間と時間のどこでも一定とみなされる量が存在します。
2. 最近、科学者たちは世界定数の不変性に疑問を抱いています。 クエーサーの観測結果と実験室での測定結果を比較すると、次のような結論に達します。 化学元素遠い昔、彼らは今日とは異なる光の吸収をしていました。 この違いは、微細構造定数の数 ppm の変化によって説明できます。
3. たとえそのような小さな変化でも確認できれば、科学における真の革命となるでしょう。 観測された定数は、多次元時空に存在する真の定数の「シルエット」にすぎないことが判明する可能性があります。
一方、物理学者は、多くの定数の値は、宇宙の歴史の初期段階におけるランダムな出来事と素粒子間の相互作用の結果である可能性があるという結論に達しました。 超弦理論では、異なる自己矛盾のない法則と定数を持つ膨大な数 ($10^(500)$) の世界の存在が可能になります ( 「弦理論の風景」、「科学の世界」、2004 年第 12 号を参照。）。 今のところ、科学者たちはなぜ私たちの組み合わせが選ばれたのか分かりません。 おそらく、さらなる研究の結果、論理的に可能な世界の数は 1 つに減りますが、私たちの宇宙は、統一理論の方程式のさまざまな解が実現される多元宇宙のほんの一部にすぎない可能性があります。そして私たちは単に自然法則の変形の 1 つを観察しているだけです ( 「平行宇宙」、「科学の世界」、2003 年第 8 号を参照。この場合、多くの世界定数については、それらが意識の発達を可能にする珍しい組み合わせを構成しているということ以外には説明がありません。 おそらく、私たちが観察している宇宙は、生命のない無限の空間に囲まれた多くの孤立したオアシスの 1 つになっているのでしょう。それは、完全に異質な自然の力が支配し、電子のような粒子や炭素原子や DNA 分子のような構造がまったく不可能な超現実的な場所です。 そこに到達しようとすると、必然的に死が訪れるでしょう。
超弦理論は、物理定数の明らかな任意性を説明するために部分的に開発されたため、その基本方程式には少数の任意のパラメータしか含まれていません。 しかし、これまでのところ、定数の観測値については説明されていません。
信頼できる定規
実際、「定数」という言葉の使用は完全に合法というわけではありません。 私たちの定数は時間と空間によって変化する可能性があります。 追加の空間次元のサイズが変化すると、私たちの 3 次元世界の定数もそれに伴って変化します。 そして、宇宙を十分に遠くまで見てみると、定数が異なる値をとる領域が見えることがあります。 1930年代以来。 科学者たちは、定数は一定ではないのではないかと推測しています。 超弦理論はこの考えに理論的な妥当性を与え、無常の探求をさらに重要なものにします。
最初の問題は、実験室のセットアップ自体が定数の変化に敏感である可能性があることです。 すべての原子の大きさが大きくなる可能性はありますが、測定に使用する定規も長くなると、原子の大きさの変化については何も言えなくなります。 実験者は通常、量の基準 (定規、分銅、時計) が一定であると想定しますが、定数をテストする場合にはこれを達成することはできません。 研究者は、無次元定数、つまり測定単位系に依存しない単なる数値、たとえば電子の質量に対する陽子の質量の比に注意を払う必要があります。
宇宙の内部構造は変化するのでしょうか？
特に興味深いのは、光速 $c$、電子の電荷 $e$、プランク定数 $h$、およびいわゆる真空の誘電率 $\epsilon_0$。 それを微細構造定数といいます。 1916 年にアーノルド・ゾンマーフェルドによって初めて導入されました。彼は、最初に適用を試みた人の 1 人でした。 量子力学電磁気学へ: $\alpha$ は、空の空間 ($\epsilon_0$) の荷電粒子が関与する電磁気 (e) 相互作用の相対論的 (c) 特性と量子的 (h) 特性を結び付けます。 測定の結果、この値は 1/137.03599976 (約 1/137) に等しいことがわかりました。
$\alpha $ に別の意味があれば、私たちの周りの世界全体が変わるでしょう。 それが小さかった場合、密度は 固体原子からなる原子は減少し($\alpha^3 $に比例)、分子結合は低温で切断され($\alpha^2 $)、周期表の安定な元素の数は増加する可能性があります($1/ \アルファ$)。 $\alpha $ が大きすぎると、小さな原子核は存在できなくなります。原子核を束縛する核力が陽子の相互反発を防ぐことができないからです。 $\alpha >0.1 では $carbon は存在できません。
恒星の核反応は $\alpha $ の値に特に敏感です。 核融合が起こるには、星の重力によって十分な量の核融合が発生する必要があります。 高温互いに反発する傾向があるにもかかわらず、原子核を強制的に近づけること。 $\alpha $ が 0.1 を超えると、合成は不可能になります (もちろん、電子と陽子の質量比など、他のパラメータが同じであれば)。 $\alpha$ がわずか 4% 変化すると、星における炭素核の生成が単純に停止してしまうほど、炭素核のエネルギー準位に影響を及ぼします。
核技術の導入
2 番目の、より深刻な実験上の問題は、定数の変化を測定するには、非常に安定していなければならない高精度の装置が必要であることです。 原子時計の助けを借りても、微細構造定数の変動を監視できるのはわずか数年です。 $\alpha $ が 3 年間で 4 $\cdot$ $10^(–15)$ を超えて変化した場合、最も正確な時計はこれを検出します。 ただし、そのようなものはまだ登録されていません。 なぜ不変性を確認しないのでしょうか？ しかし、3 年は宇宙では一瞬です。 宇宙の歴史におけるゆっくりとした、しかし重要な変化は気づかれないかもしれません。
光と微細構造定数
幸いなことに、物理学者は他のテスト方法を見つけました。 1970年代 フランス原子力エネルギー委員会の科学者は、ガボンのオクロウラン鉱山で採掘された鉱石の同位体組成にいくつかの特殊性があることに気づきました。 西アフリカ): 原子炉から出る廃棄物に似ていました。 どうやら、約20億年前にオクロで天然原子炉が形成されたようです（ 「Divine Reactor」、「In the World of Science」、No. 1、2004 を参照）。
1976年、レニングラード核物理研究所のアレクサンダー・シュリャフテルは、天然原子炉の性能は中性子捕獲を確実にするサマリウム原子核の特定の状態の正確なエネルギーに決定的に依存していると指摘した。 そしてエネルギー自体は $\alpha $ の値と強く関係しています。 したがって、微細構造定数がわずかに異なっていたら、連鎖反応は起こらなかったかもしれません。 しかし、それは実際に起こったことであり、過去 20 億年間、定数は 1 $\cdot$ $10^(–8)$ を超えて変化していないことを意味します。 (天然原子炉の状態については避けられない不確実性があるため、物理学者たちは正確な定量的結果について議論を続けています。)
1962 年、プリンストン大学の P. ジェームス E. ピーブルズとロバート ディッケは、このような分析を古代隕石に初めて適用しました。放射性崩壊から生じる同位体の相対存在量は $\alpha$ に依存します。 最も敏感な制限は、レニウムからオスミウムへの変換中のベータ崩壊に関連しています。 ミネソタ大学のキース・オリーブ氏とブリティッシュ・コロンビア州ビクトリア大学のマキシム・ポスペロフ氏による最近の研究によると、隕石が形成された当時、$\alpha$ は現在の値と 2 $\cdot$ $10^ (– 6)$。 この結果は Oklo で得られたデータよりも正確ではありませんが、時間はさらに遡り、出現まで遡ります。 太陽系 46億年前。
さらに長期間にわたる変化の可能性を探るには、研究者は天に目を向ける必要があります。 遠く離れた天体からの光は、私たちの望遠鏡に届くまでに何十億年もかかり、光が旅を始め、物質と相互作用し始めたばかりの時代の法則と世界定数の痕跡が残っています。
スペクトル線
1965 年にクエーサーが発見されてすぐに、天文学者は定数の話に関与するようになりました。クエーサーは地球から遠く離れたところにある明るい光源として発見され、確認されたばかりでした。 クエーサーから私たちまでの光の経路は非常に長いため、必然的に若い銀河のガス状の近傍を通過します。 ガスは特定の周波数でクェーサーの光を吸収し、そのスペクトル上に細い線のバーコードを刻みます (下のボックスを参照)。
クエーサー放射線の変化を探す
気体が光を吸収すると、原子に含まれる電子が低い位置から飛び出します。 エネルギーレベルより高いものへ。 エネルギー準位は、原子核が電子をどれだけしっかりと保持しているかによって決まります。これは電子間の電磁相互作用の強さ、したがって微細構造定数に依存します。 光が吸収された瞬間、またはこれが起こった宇宙の特定の領域でそれが異なっていた場合、電子が新しいレベルに遷移するのに必要なエネルギーと、観測された遷移の波長は、そのスペクトルは、今日の実験室で観察されたものとは異なるはずです。 波長の変化の性質は、原子軌道内の電子の分布に大きく依存します。 $\alpha$ の特定の変化に対して、一部の波長は減少し、他の波長は増加します。 効果の複雑なパターンはデータ調整エラーと混同されにくいため、このような実験は非常に役立ちます。
7 年前に仕事を始めたとき、私たちは 2 つの問題に直面しました。 まず、多くのスペクトル線の波長は十分な精度で測定されていません。 奇妙なことに、科学者は地球上のサンプルのスペクトルよりも、数十億光年離れたクェーサーのスペクトルについてはるかに多くのことを知っていました。 クェーサーのスペクトルを比較するには高精度の実験室測定が必要であり、実験者に適切な測定を行うよう説得しました。 実験はインペリアル・カレッジ・ロンドンのアン・ソーンとジュリエット・ピッカリングによって行われ、続いてスウェーデンのルンド天文台のスヴェネリック・ヨハンソン、メリーランド州国立標準技術研究所のウルフ・グリーズマンとレイナー・ライナー・クリングが率いるチームが実施した。
2番目の問題は、これまでの観測者がいわゆるアルカリダブレット、つまり炭素やシリコンの原子ガスに生じる吸収線のペアを使用していたことだ。 彼らは、クェーサーのスペクトルにおけるこれらの線の間隔を実験室での測定値と比較しました。 しかし、この方法では、ある特定の現象を利用することができませんでした。$\alpha $ の変化は、エネルギーが最も低い準位 (基底状態) を基準とした原子のエネルギー準位間の間隔の変化を引き起こすだけでなく、基底状態自体の位置も変化します。 実際、2 番目の効果は最初の効果よりもさらに強力です。 その結果、観測の精度はわずか 1 $\cdot$ $10^(–4)$ でした。
1999 年、論文の著者の 1 人 (Web) とオーストラリアのニューサウスウェールズ大学の Victor V. Flambaum は、両方の影響を考慮する手法を開発しました。 その結果、感度は10倍に向上しました。 また、比較できるようになりました 異なる種類原子 (マグネシウムや鉄など) を分析し、追加のクロスチェックを実行します。 観察された波長がさまざまな種類の原子でどのように変化するかを正確に判断するには、複雑な計算を実行する必要がありました。 最新の望遠鏡とセンサーを備えた私たちは、多倍項の新しい方法を使用して、前例のない精度で $\alpha $ の不変性をテストすることにしました。
見解の再検討
実験を開始したとき、私たちは単に古代の微細構造定数の値が今日と同じであることをより高い精度で確立したいと考えていました。 驚いたことに、1999 年に得られた結果では小さいながらも統計的に有意な差が示され、後にそれが確認されました。 128 本のクエーサー吸収線からのデータを使用して、過去 60 ～ 120 億年間にわたる $\alpha$ の 6 $\cdot$ $10^(–6)$ の増加を記録しました。
微細構造定数の測定結果からは、最終的な結論を導き出すことはできません。 それらの中には、かつては現在よりも小さかったことを示すものもあれば、そうでないものもあります。 おそらく、α は遠い過去に変化しましたが、現在は一定になっています。 (長方形はデータ変更の範囲を表します。)
大胆な主張には実質的な証拠が必要であるため、私たちの最初のステップはデータ収集と分析方法を徹底的に見直すことでした。 測定誤差は、系統的誤差とランダムな誤差の 2 つのタイプに分類できます。 ランダムな不正確さがあれば、すべては単純です。 それぞれの次元で彼らは取る さまざまな意味、多数の測定値では平均化され、ゼロになる傾向があります。 平均化されていない系統的エラーは、対処がより困難になります。 天文学では、あらゆる段階でこの種の不確実性に遭遇します。 実験室での実験では、機器の設定を調整して誤差を最小限に抑えることができますが、天文学者は宇宙を「微調整」することはできず、すべてのデータ収集方法には避けられないバイアスが含まれていることを受け入れなければなりません。 たとえば、観測された銀河の空間分布は、明るい銀河のほうが観測しやすいため、顕著に偏っています。 このようなバイアスを特定して無力化することは、観察者にとって常に課題です。
私たちは最初に、クエーサーのスペクトル線の測定基準となる波長スケールに歪みの可能性があることに気づきました。 これは、たとえば、クエーサーを観測した「生の」結果を校正されたスペクトルに処理する際に発生する可能性があります。 波長スケールの単純な線形の伸縮では $\alpha$ の変化を正確にシミュレートすることはできませんが、おおよその類似性さえも結果を説明するには十分です。 クエーサーの観測結果の代わりに校正データを代入することで、歪みに伴う単純な誤差を徐々に排除していきました。
私たちは 2 年以上かけてバイアスのさまざまな原因を調査し、その影響が無視できるものであることを確認しました。 重大なエラーの潜在的な原因は 1 つだけ見つかりました。 マグネシウムの吸収線について話しています。 その 3 つの安定同位体はそれぞれ、異なる波長の光を吸収します。これらの波長は互いに非常に近く、クエーサーのスペクトルでは 1 本の線として見えます。 研究者は、同位体の相対存在量に関する実験室での測定に基づいて、各同位体の寄与を判断します。 マグネシウムを放出する恒星が平均して今日の恒星よりも重かった場合、若い宇宙におけるそれらの分布は現在とは大きく異なる可能性があります。 このような違いは $\alpha$ の変化を模倣している可能性がありますが、今年発表された研究結果は、観察された事実を説明するのはそれほど簡単ではないことを示しています。 オーストラリアのスウィンバーン工科大学のイェシェ・フェナー氏とブラッド・K・ギブソン氏、ケンブリッジ大学のマイケル・T・マーフィー氏は、$\alpha$の変動をシミュレートするために必要な同位体存在量は、初期宇宙における過剰な窒素合成にもつながるだろうと結論づけた。これは観察と完全に矛盾しています。 したがって、$\alpha $ が変更された可能性を受け入れなければなりません。
変化することもあれば、変化しないこともあります
この論文の著者が提唱した仮説によると、宇宙の歴史のある時期では微細構造定数は変化せず、他の時期では増加したという。 実験データ (前のボックスを参照) はこの仮定と一致しています。
科学界はすぐに私たちの結果の重要性を高く評価しました。 世界中のクエーサースペクトルの研究者はすぐに測定を開始しました。 2003 年に、サンクトペテルブルク物理工科大学のセルゲイ・レフシャコフの研究グループがその名前にちなんで命名しました。 ハンブルク大学のイオッフェ氏とラルフ・クアスト氏は、3 つの新しいクエーサー系を研究しました。 昨年、インドの天文学・天体物理学大学間センターのハム・チャンド氏とラグナタン・スリアナンド氏、天体物理学研究所のパトリック・プティジャン氏、パリのLERMAのバスティアン・アラシル氏はさらに23件の事例を分析した。 どちらのグループも $\alpha$ に変化は見つかりませんでした。 チャンド氏は、60億年前から100億年前の変化は100万分の1未満だったに違いないと主張する。
異なるソース データの分析に同様の手法が使用されたのに、なぜこのような根本的な不一致が生じたのでしょうか? 答えはまだ不明です。 言及した研究者によって得られた結果は優れた品質ですが、彼らのサンプルのサイズと分析された放射線の年齢は私たちのものよりも大幅に小さいです。 さらに、Chand は multimultiplet 法の簡易版を使用しましたが、すべての実験誤差と系統誤差を完全に評価したわけではありません。
プリンストンの著名な天体物理学者ジョン・バーコール氏は多重多重項法自体を批判しているが、彼が指摘する問題はランダム誤差の範疇に属し、大きなサンプルを使用することで最小限に抑えられる。 バコール氏と国立研究所のジェフリー・ニューマン氏。 バークレーのローレンスは、吸収線ではなく輝線に注目しました。 彼らのアプローチはあまり正確ではありませんが、将来的には役に立つかもしれません。
法改正
私たちの結果が正しければ、その影響は計り知れないものになるでしょう。 最近まで、微細構造定数が変化した場合に宇宙に何が起こるかを推定する試みはすべて満足のいくものではありませんでした。 彼らは $\alpha$ を、定数であるという仮定の下で得られたのと同じ式の変数として考慮する以上のことはしませんでした。 同意します、非常に疑わしいアプローチです。 $\alpha $ が変化すると、それに関連する効果のエネルギーと運動量は保存され、宇宙の重力場に影響を与えるはずです。 1982 年、エルサレムのヘブライ大学のジェイコブ D. ベケンシュタインは、電磁気の法則を非定数の場合に初めて一般化しました。 彼の理論では $\alpha $ は自然の動的な構成要素と考えられています。 スカラーフィールドのようなもの。 4年前、私たちの一人（バロー）は、インペリアル・カレッジ・ロンドンのハーバード・サンドヴィク氏とジョアン・マゲイジョ氏とともに、ベケンシュタインの理論を重力を含めて拡張しました。
一般化理論の予測は魅力的に単純です。 宇宙規模の電磁気は重力よりもはるかに弱いため、$\alpha$ の百万分の一の変化は宇宙の膨張に顕著な影響を与えません。 しかし、電場のエネルギーと磁場のエネルギーの不一致により、膨張は $\alpha $ に大きな影響を与えます。 宇宙の歴史の最初の数万年の間、放射線は荷電粒子を支配し、電場と磁場のバランスを維持していました。 宇宙が拡大するにつれて、放射線は希薄になり、物質が宇宙の支配的な要素になりました。 電気エネルギーと磁気エネルギーは等しくないことが判明し、$\alpha $ は時間の対数に比例して増加し始めました。 約 60 億年前、暗黒エネルギーが支配的になり始め、膨張が加速し、自由空間でのあらゆる物理的相互作用の伝播が困難になりました。 その結果、$\alpha$ は再びほぼ一定になりました。
説明されている写真は私たちの観察と一致しています。 クエーサーのスペクトル線は、物質が優勢で $\alpha$ が増加した宇宙史の時期を特徴づけています。 オクロでの実験室測定と研究の結果は、暗黒エネルギーが優勢で $\alpha$ が一定の期間に対応しています。 $\alpha$ の変化が隕石中の放射性元素に及ぼす影響をさらに研究することは、2 つの名前付き期間間の移行を研究できるため、特に興味深いものです。
アルファは始まりにすぎません
微細構造定数が変化すると、物質の落下の仕方も変わるはずです。 かつてガリレオは、真空中の物体はその材質に関係なく同じ速度で落下するという弱い等価原理を定式化した。 しかし、$\alpha$ の変化はすべての荷電粒子に作用する力を生成する必要があります。 原子核に含まれる陽子が多ければ多いほど、より強く感じられます。 クエーサーの観測結果の解析から導き出された結論が正しければ、異なる材質で作られた天体の自由落下の加速度は約1 $\cdot$ $10^(–14)$ 異なるはずである。 これは実験室で測定できる値の100分の1ですが、STEP（空間等価原理のテスト）などの実験で差異を検出するには十分な大きさです。
これまでの $\alpha $ 研究では、科学者たちは宇宙の不均一性を無視していました。 すべての銀河と同様に、私たちの天の川は平均的な空間よりも約 100 万倍密度が高いため、宇宙とともに膨張しているわけではありません。 2003 年、ケンブリッジのバローとデビッド F. モタは、$\alpha$ が銀河内と宇宙のより空いた領域では異なる動作をする可能性があると計算しました。 若い銀河が密度を増し、リラックスして重力平衡に達するとすぐに、$\alpha$ は銀河の内部では一定になりますが、外部では変化し続けます。 したがって、$\alpha$ の不変性をテストする地球上の実験では、条件の選択に偏りが生じます。 これが弱い等価原理の検証にどのような影響を与えるかはまだわかりません。 $\alpha$ の空間変動はまだ観察されていません。 バローは最近、CMB の均一性に基づいて、$10^o$ で区切られた天球の領域間で $\alpha $ が 1 $\cdot$ $10^(–8)$ を超えて変化しないことを示しました。
私たちは新しいデータが出現し、$\alpha $ の変化に関する仮説を最終的に裏付けるか反駁する新しい研究が実施されるのを待つしかありません。 研究者がこの定数に焦点を当ててきたのは、単に定数の変動による影響が分かりやすいためです。 しかし、$\alpha $ が本当に不安定な場合は、他の定数も変更する必要があります。 この場合、自然界の内部メカニズムは私たちが想像しているよりもはるかに複雑であることを認めざるを得ません。
著者について:
John D. Barrow と John K. Webb は、1996 年に英国のサセックス大学で共同サバティカル中に物理定数の研究を開始しました。 その後、バローは定数の変化に関する新しい理論的可能性を探求し、ウェブはクエーサーの観測に取り組みました。 著者はどちらもノンフィクションの本を執筆しており、テレビ番組にもよく出演しています。
注文- 天国の第一法則。
アレクサンダー・ポップ
基本世界定数は、物質の最も一般的で基本的な特性に関する情報を提供する定数です。 たとえば、これらの定数には、G、c、e、h、me などが含まれます。これらの定数に共通するのは、それらに含まれる情報です。 したがって、重力定数 G は、宇宙のすべての物体に固有の普遍的な相互作用、つまり重力の定量的特性です。 光の速度 c は、自然界の相互作用の伝播の最大可能速度です。 素電荷 e は、自然界に自由状態で存在する電荷の最小値です (分数電荷を持つクォークは、明らかに超高密度で熱いクォーク グルーオン プラズマ内でのみ自由状態で存在します)。 絶え間ない
プランク h は最小変化を決定します 物理量、アクションと呼ばれ、ミクロ世界の物理学において基本的な役割を果たします。 電子の静止質量 m e は、最も軽く安定した荷電素粒子の慣性特性の特性です。
理論の枠組み内で常に不変とみなされる値を理論の定数と呼びます。 多くの自然法則の表現における定数の存在は、パターンの存在によって明らかになる、現実の特定の側面の相対的な不変性を反映しています。
基本定数自体、c、h、e、G などはメタ銀河のすべての部分で同じであり、時間の経過とともに変化しないため、これらは世界定数と呼ばれます。 世界定数のいくつかの組み合わせは、自然物の構造において重要なものを決定し、また、多くの基本理論の特徴を形成します。
原子現象の空間シェルのサイズを決定します (ここで、m e は電子の質量です)。
これらの現象に特有のエネルギー。 超伝導体における大規模磁束の量子は次の量で与えられます。
静止天体物理学の最大質量は、次の組み合わせによって決まります。
ここで、m N は核子の質量です。 120
量子電気力学の数学的装置全体は、小さな無次元量の存在という事実に基づいています。
電磁相互作用の強度を決定します。
基本定数の次元を分析すると、問題全体の新たな理解につながります。 上で述べたように、個々の次元の基本定数は、対応する物理理論の構造において特定の役割を果たします。 すべての物理プロセスの統一された理論的記述を開発し、世界の統一された科学的像を形成することになると、次元の物理定数は次のような無次元の基本定数に取って代わられます。
宇宙の構造と性質の形成における定数は非常に大きい。 微細構造定数は、自然界に存在する 4 種類の基本的な相互作用の 1 つである電磁気の定量的特性です。 電磁相互作用のほかに、他の基本的な相互作用には、重力、強い相互作用、弱い相互作用があります。 無次元の電磁相互作用定数の存在
明らかに、他の 3 種類の相互作用の特性である同様の無次元定数の存在を前提としています。 これらの定数は、次の無次元基本定数、つまり強い相互作用定数によっても特徴付けられます。 
- 弱い相互作用定数:
ここで、量はフェルミ定数です
弱い相互作用の場合。
重力相互作用定数:
定数の数値 
決定する
これらの相互作用の相対的な「強さ」。 したがって、電磁相互作用は強い相互作用よりも約 137 倍弱いことになります。 最も弱いのは重力相互作用で、強い相互作用よりも 10 39 小さいです。 相互作用定数は、さまざまなプロセスにおいて、ある粒子から別の粒子への変換がどのくらいの速さで起こるかも決定します。 電磁相互作用定数は、荷電粒子の同じ粒子への変換を表しますが、運動状態と光子の変化が伴います。 強い相互作用定数は、中間子の関与によるバリオンの相互変換の定量的な特徴です。 弱い相互作用定数は、ニュートリノおよび反ニュートリノが関与する過程における素粒子の変換の強度を決定します。
物理空間の次元を決定するもう 1 つの無次元物理定数に注意する必要があります。これを N で示します。物理学の発展にもかかわらず、物理的出来事が 3 次元空間、つまり N = 3 で起こることは私たちにとって一般的です。は、「常識」には当てはまらない、自然界に存在する実際のプロセスを反映した概念の出現を繰り返し引き起こしてきました。
したがって、「古典的な」次元基本定数は、対応する物理理論の構造において決定的な役割を果たします。 それらから、相互作用の統一理論の基本的な無次元定数が形成されます。 
これらの定数とその他の定数、および空間 N の次元は、宇宙の構造とその特性を決定します。