Constantes adimensionais de Israel do átomo. Constantes não permanentes
“Vamos resumir alguns resultados. O livro de referência "Tabelas de grandezas físicas" (M.: Atomizdat, 1976) contém 1.005 páginas de texto e muitos milhões de números; como lidar com eles?
Essas quantidades são divididas em pelo menos quatro tipos.
a) Unidades naturais de medida ou pontos de espectro fisicamente marcados. Não são números, mas quantidades como G, c, h, m e, e (carga do elétron). Estas são as características dimensionais de alguns fenômenos que podem ser reproduzidos muitas vezes, com um alto grau precisão. Isso é reflexo do fato de que a natureza replica situações elementares em grandes séries. Reflexões sobre a identidade de blocos de construção semelhantes do universo às vezes levaram a idéias físicas tão profundas como as estatísticas de Bose-Einstein e Fermi-Dirac. A ideia fantástica de Wheeler de que todos os elétrons são idênticos porque são seções instantâneas de uma linha de mundo enredada em uma bola de um elétron, levou Feynman a uma simplificação elegante da técnica diagramática de cálculos na teoria quântica de campos.
b) Constantes verdadeiras ou adimensionais. Esta é a razão de vários pontos marcados no espectro de uma quantidade da mesma dimensão, por exemplo, a razão das massas de partículas elétricas: já mencionamos m p / m e . A identificação de diferentes dimensões, tendo em conta a nova lei, ou seja, a redução do grupo de dimensões, leva à unificação de espectros anteriormente diferentes e à necessidade de explicar novos números.
Por exemplo, as dimensões m e , c e h geram o grupo Newton e, portanto, levam às mesmas unidades atômicas naturais das dimensões M, L, T, bem como às unidades de Planck. Portanto, sua relação com as unidades de Planck precisa de uma explicação teórica, mas, como dissemos, isso é impossível enquanto não houver (G, c, h)-teoria. No entanto, na teoria (m e, c, h) - eletrodinâmica quântica - há uma quantidade adimensional, cujo valor a eletrodinâmica quântica moderna em certo sentido da palavra deve sua existência. Coloquemos dois elétrons a uma distância h/m e c (o chamado comprimento de onda Compton de um elétron) e medimos a razão entre a energia de sua repulsão eletrostática e a energia m e c 2 equivalente à massa de repouso do elétron. Você obtém o número \u003d 7,2972 x 10 -3 ≈ 1/137. Esta é a famosa constante de estrutura fina.
A eletrodinâmica quântica descreve, em particular, processos em que o número de partículas não é conservado: o vácuo cria pares elétron-pósitron, eles aniquilam. Devido ao fato de que a energia de produção (não inferior a 2m e c 2) é centenas de vezes maior que a energia da interação característica de Coulomb (devido ao valor de a), é possível realizar um esquema de cálculo eficiente no qual essas correções radiativas não são descartadas completamente, mas também não “estragam irremediavelmente a vida” do teórico.
Não há explicação teórica para o valor de α. Os matemáticos têm seus próprios espectros notáveis: os espectros de distintos operadores-geradores lineares de grupos de Lie simples em representações irredutíveis, os volumes de domínios fundamentais, as dimensões dos espaços de homologia e cohomologia, etc. limitando a escolha. Mas voltando às constantes.
O próximo tipo deles, que ocupa muito espaço nas tabelas, é:
c) Fatores de conversão de uma escala para outra, por exemplo, de atômica para "humana". Estes incluem: o número já mencionado Avogadro N 0 = 6,02 x 10 23 - essencialmente um grama, expresso em unidades de "massa de prótons", embora a definição tradicional seja um pouco diferente, assim como um ano-luz em quilômetros. O mais repugnante para o matemático aqui, é claro, são os fatores de conversão de uma unidade fisicamente sem sentido para outra, igualmente sem sentido: de côvados para pés ou de Réaumur para Fahrenheit. Humanamente, esses são às vezes os números mais importantes; como Winnie the Pooh sabiamente observou: “Eu não sei quantos litros, metros e quilos estão nele, mas os tigres, quando pulam, parecem enormes para nós”.
d) "Espectros difusos". Esta é uma característica dos materiais (não elementos ou compostos puros, mas graus tecnológicos comuns de aço, alumínio, cobre), dados astronômicos (a massa do Sol, o diâmetro da Galáxia ...) e muitos do mesmo tipo. A natureza produz pedras, planetas, estrelas e galáxias, não se importando com sua mesmice, ao contrário dos elétrons, mas ainda assim suas características mudam apenas dentro de certos limites. As explicações teóricas dessas "zonas permitidas", quando conhecidas, são notavelmente interessantes e instrutivas.
Manin Yu.I., Matemática como metáfora, M., "MTsNMO Publishing House", 2010, p. 177-179.
Constante de interação
Material da enciclopédia russa gratuita "Tradição"
Constante de interação(às vezes o termo constante de acoplamento) é um parâmetro na teoria de campo que determina a força relativa de qualquer interação entre partículas ou campos. Na teoria quântica de campos, as constantes de interação são associadas aos vértices nos diagramas de interação correspondentes. Como constantes de interação, são usados parâmetros adimensionais e quantidades relacionadas que caracterizam interações e possuem dimensões. Exemplos são a interação eletromagnética adimensional e a elétrica, medida em C.
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Comparação de interações
Se escolhermos um objeto que participa de todas as quatro interações fundamentais, então os valores das constantes de interação adimensionais desse objeto, encontrados de regra geral, mostrará a força relativa dessas interações. O próton é mais frequentemente usado como um objeto no nível de partículas elementares. A energia base para comparar interações é a energia eletromagnética de um fóton, por definição igual a:
onde - , - a velocidade da luz, - o comprimento de onda do fóton. A escolha da energia do fóton não é acidental, pois a base Ciência moderna reside a representação de onda baseada em ondas eletromagnéticas. Com a ajuda deles, todas as medições básicas são feitas - comprimento, tempo e incluindo energia.
Interação gravitacional
Interação fraca
A energia associada à interação fraca pode ser representada da seguinte forma:
onde é a carga efetiva da interação fraca, é a massa das partículas virtuais consideradas portadoras da interação fraca (bósons W e Z).
O quadrado da carga efetiva da interação fraca para um próton é expresso em termos da constante de Fermi J m 3 e da massa do próton:
Em distâncias suficientemente pequenas, o exponencial na energia da interação fraca pode ser desprezado. Neste caso, a constante de interação fraca adimensional é definida como segue:
Interação eletromagnética
A interação eletromagnética de dois prótons imóveis é descrita pela energia eletrostática:
Onde - , - .
A razão desta energia para a energia do fóton determina a constante de interação eletromagnética, conhecida como:
Interação forte
No nível dos hádrons no Modelo Padrão da física de partículas, é considerado como uma interação "residual" que entra nos hádrons. Supõe-se que os glúons, como portadores da interação forte, geram mésons virtuais no espaço entre os hádrons. No modelo píon-núcleo de Yukawa, as forças nucleares entre os nucleons são explicadas como resultado da troca de píons virtuais, e a energia de interação tem a seguinte forma:
onde é a carga efetiva da interação píon-núcleon pseudoescalar, é a massa do píon.
A constante de interação forte adimensional é:
Constantes na teoria quântica de campos
Os efeitos de interação na teoria de campo são frequentemente definidos usando a teoria de perturbação, na qual as funções nas equações são expandidas em potências da constante de interação. Normalmente, para todas as interações, exceto para a forte, a constante de interação é muito menor que a unidade. Isso torna a aplicação da teoria de perturbação eficiente, uma vez que a contribuição dos termos superiores das expansões diminui rapidamente e seu cálculo torna-se desnecessário. No caso de uma interação forte, a teoria de perturbação torna-se inadequada e outros métodos de cálculo são necessários.
Uma das previsões da teoria quântica de campos é o chamado efeito de “constantes flutuantes”, segundo o qual as constantes de interação mudam lentamente com o aumento da energia transferida durante a interação das partículas. Assim, a constante de interação eletromagnética aumenta e a constante de interação forte diminui com o aumento da energia. Quarks na cromodinâmica quântica têm sua própria constante de interação forte:
onde é a carga de cor efetiva de um quark que emite glúons virtuais para interagir com outro quark. Com a diminuição da distância entre os quarks, alcançada em colisões de partículas de alta energia, espera-se uma diminuição logarítmica e enfraquecimento da interação forte (o efeito da liberdade assintótica dos quarks). Na escala da energia transferida da ordem da massa-energia do bóson Z (91,19 GeV) verifica-se que 
Na mesma escala de energia, a constante de interação eletromagnética aumenta para um valor da ordem de 1/127 em vez de ≈1/137 em baixas energias. Supõe-se que em energias ainda mais altas, cerca de 10 18 GeV, os valores das constantes das interações gravitacionais, fracas, eletromagnéticas e fortes das partículas se aproximarão e podem até se tornar aproximadamente iguais entre si.
Constantes em outras teorias
Teoria das cordas
Na teoria das cordas, as constantes de interação não são consideradas constantes, mas são de natureza dinâmica. Em particular, a mesma teoria em baixas energias parece que as cordas se movem em dez dimensões e em altas energias - em onze. Uma mudança no número de medições é acompanhada por uma mudança nas constantes de interação.
gravidade forte
Juntamente com e forças eletromagnéticas são considerados os principais componentes da interação forte em . Nesse modelo, ao invés de considerar a interação de quarks e glúons, apenas dois campos fundamentais são levados em consideração - gravitacional e eletromagnético, que atuam na matéria carregada e massa das partículas elementares, bem como no espaço entre elas. Ao mesmo tempo, assume-se que quarks e glúons não são partículas reais, mas quasipartículas, refletindo as propriedades quânticas e simetrias inerentes à matéria hadrônica. Essa abordagem reduz drasticamente o número de parâmetros livres realmente infundados, mas postulados, que é recorde para as teorias físicas, no modelo padrão da física de partículas elementares, no qual existem pelo menos 19 desses parâmetros.
Outra consequência é que as interações fraca e forte não são consideradas interações de campo independentes. A interação forte é reduzida a combinações de forças gravitacionais e eletromagnéticas, nas quais os efeitos de retardo de interação (campos dipolo e de torção orbital e forças magnéticas) desempenham um papel importante. Assim, a constante de interação forte é determinada por analogia com a constante de interação gravitacional:
É útil entender quais constantes são fundamentais em geral. Tomemos, por exemplo, a velocidade da luz. O fato de ser finito é fundamental, não o seu significado. No sentido de que determinamos a distância e o tempo para que seja assim. Em outras unidades, seria diferente.
O que então é fundamental? Razões adimensionais e forças de interação características, que são descritas por constantes de interação adimensionais. Grosso modo, as constantes de interação caracterizam a probabilidade de algum processo. Por exemplo, a constante eletromagnética caracteriza com que probabilidade um elétron se espalha em um próton.
Vamos ver como podemos construir logicamente quantidades dimensionais. Você pode inserir a razão das massas do próton e do elétron e uma constante específica da interação eletromagnética. Átomos aparecerão em nosso universo. Você pode pegar uma transição atômica específica e pegar a frequência da luz emitida e medir tudo no período de oscilações da luz. Aqui está a unidade de tempo. A luz durante esse tempo voará alguma distância, então obtemos uma unidade de distância. Um fóton com tal frequência tem algum tipo de energia, uma unidade de energia acabou. E então a força da interação eletromagnética é tal que o tamanho do átomo é tanto em nossas novas unidades. Medimos a distância como a razão entre o tempo de voo da luz através do átomo e o período de oscilação. Este valor depende apenas da força da interação. Se agora definirmos a velocidade da luz como a razão entre o tamanho de um átomo e o período de oscilação, obteremos um número, mas não é fundamental. O segundo e o metro são escalas características de tempo e distância para nós. Neles, medimos a velocidade da luz, mas seu valor específico não carrega significado físico.
Experimente o pensamento, deixe que haja outro universo, onde o metro seja exatamente duas vezes maior que o nosso, mas todas as constantes e relacionamentos fundamentais são os mesmos. Então, as interações levarão o dobro do tempo para se propagar, e os seres humanos perceberão um segundo na metade da velocidade. Claro que eles não sentem. Quando medirem a velocidade da luz, obterão o mesmo valor que nós. Porque eles medem em seus metros e segundos característicos.
Portanto, os físicos não atribuem importância fundamental ao fato de a velocidade da luz ser de 300.000 km/s. E a constante da interação eletromagnética, a chamada constante de estrutura fina (é aproximadamente 1/137) é anexada.
Além disso, é claro, as constantes das interações fundamentais (eletromagnetismo, interações fortes e fracas, gravitação) associadas aos processos correspondentes dependem das energias desses processos. A interação eletromagnética na escala de energia da ordem da massa do elétron é uma, e na escala da ordem da massa do bóson de Higgs, é diferente, maior. A força da interação eletromagnética cresce com a energia. Mas como as constantes de interação mudam com a energia pode ser calculada sabendo que tipo de partículas temos e quais são suas relações de propriedade.
Portanto, para descrever completamente as interações fundamentais em nosso nível de compreensão, basta saber que conjunto de partículas temos, as razões de massa das partículas elementares, as constantes de interação em uma escala, por exemplo, na escala do massa do elétron, e a razão de forças com que cada partícula particular interage nessa interação, no caso eletromagnético isso corresponde à razão de cargas (a carga de um próton é igual a carga de um elétron, pois a força de interação de um elétron com elétron coincide com a força de interação de um elétron com um próton, se fosse duas vezes maior, então a força seria duas vezes maior, a força é medida, repito, em probabilidades adimensionais). A questão se resume a por que eles são.
Tudo não está claro aqui. Alguns cientistas acreditam que uma teoria mais fundamental emergirá da qual seguirá como massas, cargas e assim por diante estão relacionadas. A última é, em certo sentido, respondida por grandes teorias unificadas. Algumas pessoas acreditam que o princípio antrópico está em ação. Ou seja, se as constantes fundamentais fossem diferentes, simplesmente não existiríamos em tal universo.
Quão inimaginavelmente estranho seria o mundo se as constantes físicas pudessem mudar! Por exemplo, a chamada constante de estrutura fina é aproximadamente igual a 1/137. Se tivesse um valor diferente, talvez não houvesse diferença entre matéria e energia.
Há coisas que nunca mudam. Os cientistas os chamam de constantes físicas, ou constantes mundiais. Acredita-se que a velocidade da luz $c$, a constante gravitacional $G$, a massa do elétron $m_e$ e algumas outras quantidades sempre e em toda parte permanecem inalteradas. Eles formam a base sobre a qual se baseiam as teorias físicas e determinam a estrutura do universo.
Os físicos estão trabalhando duro para medir as constantes do mundo com precisão cada vez maior, mas ninguém ainda conseguiu explicar de forma alguma por que seus valores são do jeito que são. No sistema SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( - 31) $ kg - quantidades completamente não relacionadas que têm apenas uma propriedade comum: se mudarem pelo menos um pouco, a existência de estruturas atômicas complexas, incluindo organismos vivos, estará em grande questão. O desejo de justificar os valores das constantes tornou-se um dos incentivos para o desenvolvimento de uma teoria unificada que descreva plenamente todos os fenômenos existentes. Com sua ajuda, os cientistas esperavam mostrar que cada constante mundial pode ter apenas um valor possível, devido aos mecanismos internos que determinam a arbitrariedade enganosa da natureza.
A melhor candidata ao título de teoria unificada é a teoria M (uma variante da teoria das cordas), que pode ser considerada consistente se o Universo não tiver quatro dimensões espaço-temporais, mas onze. Portanto, as constantes que observamos podem não ser realmente fundamentais. As verdadeiras constantes existem no espaço multidimensional completo, e vemos apenas suas "silhuetas" tridimensionais.
VISÃO GERAL: CONSTANTES MUNDIAIS
1. Em muitas equações físicas, existem quantidades que são consideradas constantes em todos os lugares - no espaço e no tempo.
2. Recentemente, os cientistas duvidaram da constância das constantes mundiais. Comparando os resultados de observações de quasares e medições de laboratório, eles concluem que elementos químicos no passado distante, eles absorviam a luz de forma diferente do que fazem hoje. A diferença pode ser explicada por uma mudança de vários milionésimos da constante de estrutura fina.
3. A confirmação de uma mudança tão pequena será uma verdadeira revolução na ciência. As constantes observadas podem vir a ser apenas "silhuetas" das verdadeiras constantes que existem no espaço-tempo multidimensional.
Enquanto isso, os físicos chegaram à conclusão de que os valores de muitas constantes podem ser o resultado de eventos aleatórios e interações entre partículas elementares nos estágios iniciais da história do universo. A teoria das cordas permite a existência de um grande número ($10^(500)$) de mundos com diferentes conjuntos de leis e constantes auto-consistentes ( veja Landscape of String Theory, In the World of Science, nº 12, 2004.). Até agora, os cientistas não têm ideia de por que nossa combinação foi selecionada. Talvez, como resultado de mais pesquisas, o número de mundos logicamente possíveis diminua para um, mas é possível que nosso Universo seja apenas uma pequena parte do multiverso, no qual várias soluções das equações de uma teoria unificada são implementadas, e observamos apenas uma das variantes das leis da natureza ( veja Parallel Universes, In the World of Science, No. 8, 2003). Nesse caso, para muitas constantes mundiais não há explicação, exceto que elas constituem uma rara combinação que permite o desenvolvimento da consciência. Talvez o universo que observamos tenha se tornado um dos muitos oásis isolados cercados por uma infinidade de espaço sideral sem vida - um lugar surreal onde dominam forças da natureza completamente estranhas a nós, e partículas como elétrons e estruturas como átomos de carbono e moléculas de DNA são simplesmente impossíveis. Tentar chegar lá teria sido fatal.
A teoria das cordas também foi desenvolvida para explicar a aparente arbitrariedade das constantes físicas, de modo que suas equações básicas contêm apenas alguns parâmetros arbitrários. Mas até agora não explica os valores observados das constantes.
Régua confiável
De fato, o uso da palavra "constante" não é inteiramente legítimo. Nossas constantes podem mudar no tempo e no espaço. Se as dimensões espaciais extras mudassem de tamanho, as constantes em nosso mundo tridimensional mudariam com elas. E se olharmos longe o suficiente no espaço, podemos ver áreas onde as constantes assumem valores diferentes. Desde a década de 1930 os cientistas especularam que as constantes podem não ser constantes. A teoria das cordas dá plausibilidade teórica a essa ideia e torna a busca da impermanência ainda mais importante.
O primeiro problema é que a própria configuração do laboratório pode ser sensível a mudanças nas constantes. O tamanho de todos os átomos poderia aumentar, mas se a régua usada para medições também ficasse mais longa, nada poderia ser dito sobre a mudança no tamanho dos átomos. Os experimentadores geralmente assumem que os padrões de medição (réguas, pesos, relógios) permanecem inalterados, mas isso não pode ser alcançado ao verificar constantes. Os pesquisadores devem prestar atenção às constantes adimensionais - apenas números que não dependem do sistema de unidades, por exemplo, a razão entre a massa de um próton e a massa de um elétron.
A estrutura interna do universo muda?
De particular interesse é a quantidade $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, que combina a velocidade da luz $c$, a carga elétrica do elétron $e$, a constante de Planck $h$ e a chamada constante dielétrica de vácuo $\epsilon_0$. É chamada de constante de estrutura fina. Foi introduzido pela primeira vez em 1916 por Arnold Sommerfeld, que foi um dos primeiros a tentar aplicar mecânica quântica ao eletromagnetismo: $\alpha$ conecta características relativísticas (c) e quânticas (h) de interações eletromagnéticas (e) envolvendo partículas carregadas no espaço vazio ($\epsilon_0$). As medições mostraram que esse valor é 1/137,03599976 (aproximadamente 1/137).
Se $\alpha $ tivesse um significado diferente, então o mundo inteiro mudaria. Se é menos densidade sólido, consistindo de átomos, diminuiria (em proporção a $\alpha^3 $), as ligações moleculares quebrariam em temperaturas mais baixas ($\alpha^2 $), e o número de elementos estáveis na tabela periódica poderia aumentar ($1/ \alfa$). Se $\alpha $ fosse muito grande, núcleos atômicos pequenos não poderiam existir, porque as forças nucleares que os ligavam não seriam capazes de impedir a repulsão mútua de prótons. Para $\alpha >0.1 $ carbono não poderia existir.
As reações nucleares em estrelas são especialmente sensíveis a $\alpha $. Para que a fusão nuclear ocorra, a gravidade da estrela deve criar Temperatura alta forçar os núcleos a se aproximarem, apesar de sua tendência de se repelirem. Se $\alpha $ fosse maior que 0,1, então a fusão seria impossível (a menos, é claro, que outros parâmetros, como a proporção de massas de elétrons e prótons, permanecessem os mesmos). Uma mudança em $\alpha$ em apenas 4% afetaria os níveis de energia no núcleo de carbono a tal ponto que sua ocorrência nas estrelas simplesmente cessaria.
Implementação de técnicas nucleares
O segundo problema experimental, mais sério, é que medir mudanças em constantes requer equipamentos de alta precisão, que devem ser extremamente estáveis. Mesmo com relógios atômicos, o desvio da constante de estrutura fina só pode ser rastreado por alguns anos. Se $\alpha $ mudasse mais de 4 $\cdot$ $10^(–15)$ em três anos, o relógio mais preciso seria capaz de detectar isso. No entanto, nada do tipo ainda foi registrado. Parece, por que não a confirmação da constância? Mas três anos para o espaço é um instante. Mudanças lentas, mas significativas, na história do universo podem passar despercebidas.
ESTRUTURA FINA LEVE E PERMANENTE
Felizmente, os físicos encontraram outras maneiras de verificar. Na década de 1970 cientistas da Comissão Francesa de Energia Atômica notaram algumas características na composição isotópica do minério da mina de urânio em Oklo no Gabão ( África Ocidental): assemelhava-se a resíduos de um reator nuclear. Aparentemente, cerca de 2 bilhões de anos atrás, um reator nuclear natural foi formado em Oklo ( veja Divine Reactor, In the World of Science, No. 1, 2004).
Em 1976, Alexander Shlyakhter do Instituto de Física Nuclear de Leningrado observou que o desempenho dos reatores naturais é criticamente dependente da energia exata do estado específico do núcleo de samário que captura nêutrons. E a energia em si está fortemente relacionada ao valor de $\alpha $. Assim, se a constante de estrutura fina tivesse sido ligeiramente diferente, nenhuma reação em cadeia poderia ter ocorrido. Mas realmente aconteceu, o que significa que nos últimos 2 bilhões de anos a constante não mudou em mais de 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Os físicos continuam discutindo sobre resultados quantitativos exatos por causa da inevitável incerteza sobre as condições em um reator natural.)
Em 1962, P. James E. Peebles e Robert Dicke da Universidade de Princeton foram os primeiros a aplicar tal análise a meteoritos antigos: a abundância relativa de isótopos resultantes de seu decaimento radioativo depende de $\alpha $. A limitação mais sensível está associada ao decaimento beta na conversão de rênio em ósmio. De acordo com um trabalho recente de Keith Olive, da Universidade de Minnesota, e Maxim Pospelov, da Universidade de Victoria, na Colúmbia Britânica, $\alpha$ diferia de seu valor atual em 2 $\cdot$ $10^ no momento em que os meteoritos se formaram. )$. Esse resultado é menos preciso do que os dados obtidos em Oklo, mas remonta mais ao tempo, ao surgimento sistema solar 4,6 bilhões de anos atrás.
Para explorar possíveis mudanças em períodos de tempo ainda mais longos, os pesquisadores devem olhar para os céus. A luz de objetos astronômicos distantes chega aos nossos telescópios por bilhões de anos e traz a marca das leis e constantes mundiais daqueles tempos em que apenas começou sua jornada e interação com a matéria.
Linhas espectrais
Os astrônomos se envolveram na história das constantes logo após a descoberta dos quasares em 1965, que haviam acabado de ser descobertos e identificados como fontes de luz brilhante localizadas a grandes distâncias da Terra. Como o caminho da luz do quasar até nós é tão longo, ele inevitavelmente cruza as vizinhanças gasosas de galáxias jovens. O gás absorve a luz quasar em frequências específicas, imprimindo um código de barras de linhas estreitas em seu espectro (veja o quadro abaixo).
BUSCANDO MUDANÇAS NA RADIAÇÃO QUASAR
Quando um gás absorve luz, os elétrons contidos nos átomos saltam de níveis de energia aos mais altos. Os níveis de energia são determinados pela força com que o núcleo atômico retém elétrons, o que depende da força da interação eletromagnética entre eles e, portanto, da constante de estrutura fina. Se fosse diferente no momento em que a luz foi absorvida, ou em alguma região particular do universo onde aconteceu, então a energia necessária para mover um elétron para um novo nível e os comprimentos de onda das transições observadas nos espectros deveriam ser diferente do observado hoje em experimentos de laboratório. A natureza da mudança nos comprimentos de onda depende criticamente da distribuição dos elétrons nas órbitas atômicas. Para uma dada mudança em $\alpha$, alguns comprimentos de onda diminuem, enquanto outros aumentam. O complexo padrão de efeitos é difícil de confundir com erros de calibração de dados, o que torna esse experimento extremamente útil.
Quando começamos a trabalhar há sete anos, enfrentamos dois problemas. Primeiro, os comprimentos de onda de muitas linhas espectrais não foram medidos com precisão suficiente. Curiosamente, os cientistas sabiam muito mais sobre os espectros de quasares a bilhões de anos-luz de distância do que sobre os espectros de amostras terrestres. Precisávamos de medições de laboratório de alta precisão para comparar os espectros do quasar com eles, e convencemos os experimentadores a fazer as medições apropriadas. Eles foram realizados por Anne Thorne e Juliet Pickering do Imperial College London, e mais tarde por equipes lideradas por Sveneric Johansson do Lund Observatory na Suécia, e por Ulf Griesmann e Rainer Kling (Rainer Kling) do National Institute of Standards and Technology in Maryland.
O segundo problema era que observadores anteriores usavam os chamados dupletos alcalinos, pares de linhas de absorção que aparecem em gases atômicos de carbono ou silício. Eles compararam os intervalos entre essas linhas nos espectros do quasar com medições de laboratório. No entanto, esse método não permitia o uso de um fenômeno específico: variações em $\alpha $ causam não apenas uma mudança no intervalo entre os níveis de energia de um átomo em relação ao nível de menor energia (o estado fundamental), mas também uma mudança na posição do próprio estado fundamental. Na verdade, o segundo efeito é ainda mais forte que o primeiro. Como resultado, a precisão das observações foi de apenas 1 $\cdot$ $10^(–4)$.
Em 1999, um dos autores do artigo (Web) e Victor V. Flambaum, da Universidade de New South Wales, na Austrália, desenvolveram uma técnica para levar em conta ambos os efeitos. Como resultado, a sensibilidade foi aumentada em 10 vezes. Além disso, tornou-se possível comparar tipos diferentesátomos (por exemplo, magnésio e ferro) e realizar verificações cruzadas adicionais. Cálculos complicados tiveram que ser realizados para estabelecer exatamente como os comprimentos de onda observados variam em diferentes tipos de átomos. Armados com telescópios e sensores de última geração, decidimos testar a persistência de $\alpha$ com precisão sem precedentes usando um novo método de muitos multipletos.
Revisão de visualizações
Quando começamos os experimentos, queríamos simplesmente estabelecer com maior precisão que o valor da constante de estrutura fina nos tempos antigos era o mesmo de hoje. Para nossa surpresa, os resultados obtidos em 1999 mostraram diferenças pequenas, mas estatisticamente significativas, que foram posteriormente confirmadas. Usando dados de 128 linhas de absorção de quasares, registramos um aumento em $\alpha$ em 6 $\cdot$ $10^(–6)$ nos últimos 6–12 bilhões de anos.
Os resultados das medições da constante de estrutura fina não nos permitem tirar conclusões finais. Alguns deles indicam que já foi menor do que é agora, e outros não. Talvez α tenha mudado no passado distante, mas agora se tornou constante. (As caixas representam o intervalo de dados.)
Reivindicações ousadas exigem evidências sólidas, portanto, nosso primeiro passo foi revisar cuidadosamente nossos métodos de coleta e análise de dados. Os erros de medição podem ser divididos em dois tipos: sistemáticos e aleatórios. Com imprecisões aleatórias, tudo é simples. Em cada dimensão individual eles assumem Significados diferentes, que, com um grande número de medições, são calculadas em média e tendem a zero. Erros sistemáticos que não são calculados são mais difíceis de lidar. Na astronomia, incertezas desse tipo são encontradas a cada passo. Em experimentos de laboratório, os instrumentos podem ser ajustados para minimizar erros, mas os astrônomos não podem "sintonizar" o universo e têm que admitir que todos os seus métodos de coleta de dados contêm vieses inerentes. Por exemplo, a distribuição espacial observada de galáxias é marcadamente tendenciosa para galáxias brilhantes porque são mais fáceis de observar. Identificar e neutralizar tais deslocamentos é um desafio constante para os observadores.
Primeiro, chamamos a atenção para a possível distorção da escala de comprimento de onda, em relação à qual as linhas espectrais do quasar foram medidas. Pode surgir, por exemplo, durante o processamento dos resultados "brutos" da observação de quasares em um espectro calibrado. Embora o simples alongamento ou encolhimento linear da escala de comprimento de onda não pudesse imitar com precisão a mudança em $\alpha$, mesmo uma similaridade aproximada seria suficiente para explicar os resultados. Gradualmente, eliminamos erros simples associados a distorções, substituindo os dados de calibração em vez dos resultados da observação do quasar.
Por mais de dois anos, investigamos várias causas de viés para garantir que seu impacto seja insignificante. Encontramos apenas uma fonte potencial de bugs sérios. Estamos falando de linhas de absorção de magnésio. Cada um de seus três isótopos estáveis absorve luz com diferentes comprimentos de onda, que estão muito próximos uns dos outros e são visíveis nos espectros dos quasares como uma única linha. Com base em medições de laboratório da abundância relativa de isótopos, os pesquisadores avaliam a contribuição de cada um deles. Sua distribuição no universo jovem poderia ser significativamente diferente de hoje se as estrelas que emitem magnésio fossem, em média, mais pesadas do que suas contrapartes atuais. Tais diferenças podem imitar uma mudança em $\alpha$, mas os resultados de um estudo publicado este ano indicam que os fatos observados não são tão facilmente explicados. Yeshe Fenner e Brad K. Gibson da Swinburne University of Technology na Austrália e Michael T. Murphy da University of Cambridge concluíram que a abundância de isótopos necessária para imitar a mudança $\alpha$ também levaria a um excesso de síntese de nitrogênio no início Universo, o que é completamente inconsistente com as observações. Então temos que conviver com a possibilidade de que $\alpha$ tenha mudado.
AS VEZES MUDA, AS VEZES NÃO
De acordo com a hipótese apresentada pelos autores do artigo, em alguns períodos da história cósmica a constante de estrutura fina permaneceu inalterada, enquanto em outros aumentou. Os dados experimentais (veja a inserção anterior) são consistentes com essa suposição.
A comunidade científica imediatamente apreciou o significado de nossos resultados. Pesquisadores dos espectros de quasares ao redor do mundo imediatamente fizeram medições. Em 2003, as equipes de pesquisa de Sergei Levshakov (Sergei Levshakov) do Instituto de Física e Tecnologia de São Petersburgo. Ioffe e Ralf Quast da Universidade de Hamburgo estudaram três novos sistemas quasares. No ano passado, Hum Chand e Raghunathan Srianand do Centro Interuniversitário de Astronomia e Astrofísica da Índia, Patrick Petitjean do Instituto de Astrofísica e Bastien Aracil do LERMA em Paris analisaram mais 23 casos. Nenhum dos grupos encontrou alterações em $\alpha$. Chand argumenta que qualquer mudança entre 6 e 10 bilhões de anos atrás deve ser inferior a um milionésimo.
Por que metodologias semelhantes usadas para analisar dados de fontes diferentes levaram a uma discrepância tão drástica? A resposta ainda não é conhecida. Os resultados obtidos por esses pesquisadores são de excelente qualidade, mas o tamanho de suas amostras e a idade da radiação analisada são significativamente menores que os nossos. Além disso, Chand usou uma versão simplificada do método multimultiplet e não avaliou completamente todos os erros experimentais e sistemáticos.
O renomado astrofísico John Bahcall de Princeton criticou o próprio método multi-multiplet, mas os problemas que ele aponta estão na categoria de erros aleatórios, que são minimizados quando grandes amostras são usadas. Bacall e Jeffrey Newman do Laboratório Nacional. Lawrence em Berkeley considerou linhas de emissão, não linhas de absorção. Sua abordagem é muito menos precisa, embora possa ser útil no futuro.
Reforma legislativa
Se nossos resultados estiverem corretos, as consequências serão enormes. Até recentemente, todas as tentativas de estimar o que aconteceria com o Universo se a constante de estrutura fina mudasse eram insatisfatórias. Eles não foram além de considerar $\alpha$ como uma variável nas mesmas fórmulas que foram obtidas sob a suposição de que é constante. Concordo, uma abordagem muito duvidosa. Se $\alpha $ mudar, então a energia e o momento nos efeitos associados a ele devem ser conservados, o que deve afetar o campo gravitacional no Universo. Em 1982, Jacob D. Bekenstein da Universidade Hebraica de Jerusalém pela primeira vez generalizou as leis do eletromagnetismo para o caso de constantes não constantes. Em sua teoria, $\alpha $ é considerado um componente dinâmico da natureza, ou seja, como um campo escalar. Há quatro anos, um de nós (Barrow), juntamente com Håvard Sandvik e João Magueijo do Imperial College London, expandiu a teoria de Bekenstein para incluir a gravidade.
As previsões da teoria generalizada são sedutoramente simples. Como o eletromagnetismo em escala cósmica é muito mais fraco que a gravidade, mudanças em $\alpha$ em alguns milionésimos não têm um efeito perceptível na expansão do Universo. Mas a expansão afeta significativamente $\alpha $ devido à discrepância entre as energias dos campos elétrico e magnético. Durante as primeiras dezenas de milhares de anos da história cósmica, a radiação dominou as partículas carregadas e manteve um equilíbrio entre os campos elétrico e magnético. À medida que o universo se expandiu, a radiação tornou-se rarefeita e a matéria tornou-se o elemento dominante do cosmos. As energias elétrica e magnética mostraram-se desiguais, e $\alpha $ começou a aumentar proporcionalmente ao logaritmo do tempo. Aproximadamente 6 bilhões de anos atrás, a energia escura começou a dominar, acelerando a expansão, o que dificulta a propagação de todas as interações físicas no espaço livre. Como resultado, $\alpha$ tornou-se quase constante novamente.
A imagem descrita é consistente com nossas observações. As linhas espectrais do quasar caracterizam aquele período da história cósmica em que a matéria dominava e $\alpha$ aumentava. Os resultados das medições e estudos de laboratório em Oklo correspondem ao período em que a energia escura domina e $\alpha$ é constante. De particular interesse é o estudo mais aprofundado da influência da mudança em $\alpha$ sobre os elementos radioativos em meteoritos, porque nos permite estudar a transição entre os dois períodos nomeados.
Alfa é apenas o começo
Se a constante da estrutura fina mudar, os objetos materiais devem cair de forma diferente. Ao mesmo tempo, Galileu formulou o princípio da equivalência fraca, segundo o qual os corpos no vácuo caem com a mesma velocidade, independentemente do que são feitos. Mas mudanças em $\alpha$ devem gerar uma força atuando em todas as partículas carregadas. Quanto mais prótons um átomo contém em seu núcleo, mais forte ele o sentirá. Se as conclusões tiradas da análise dos resultados das observações do quasar estiverem corretas, então a aceleração da queda livre de corpos feitos de diferentes materiais deve diferir em aproximadamente 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Isso é 100 vezes menor do que o que pode ser medido em laboratório, mas grande o suficiente para mostrar diferenças em experimentos como o STEP (Testing the Equivalence Principle in Space).
Em estudos anteriores de $\alpha $, os cientistas negligenciaram a falta de homogeneidade do Universo. Como todas as galáxias, nossa Via Láctea é cerca de um milhão de vezes mais densa que o espaço sideral em média, então não está se expandindo com o universo. Em 2003, Barrow e David F. Mota de Cambridge calcularam que $\alpha$ poderia se comportar de forma diferente dentro de uma galáxia do que em regiões mais vazias do espaço. Assim que uma jovem galáxia se condensa e, enquanto relaxa, entra em equilíbrio gravitacional, $\alpha$ se torna constante dentro da galáxia, mas continua a mudar fora dela. Assim, experimentos na Terra que testam a persistência de $\alpha$ sofrem de uma seleção tendenciosa de condições. Ainda temos que descobrir como isso afeta a verificação do princípio da equivalência fraca. Ainda não foram observadas variações espaciais de $\alpha$. Baseando-se na homogeneidade da CMB, Barrow mostrou recentemente que $\alpha $ não varia em mais de 1 $\cdot$ $10^(–8)$ entre regiões da esfera celeste espaçadas em $10^o$.
Resta-nos aguardar o surgimento de novos dados e novos estudos que finalmente confirmem ou refutem a hipótese sobre a mudança em $\alpha $. Os pesquisadores têm focado nessa constante, simplesmente porque os efeitos devido às suas variações são mais fáceis de ver. Mas se $\alpha$ for realmente mutável, então outras constantes também devem mudar. Nesse caso, teremos que admitir que os mecanismos internos da natureza são muito mais complicados do que pensávamos.
SOBRE OS AUTORES:
John Barrow (John D. Barrow), John Web (John K. Webb) engajou-se no estudo de constantes físicas em 1996 durante um período sabático conjunto na Universidade de Sussex, na Inglaterra. Em seguida, Barrow explorou novas possibilidades teóricas para mudar constantes, e Web se envolveu em observações de quasares. Ambos os autores escrevem livros de não-ficção e frequentemente aparecem em programas de televisão.
Ordem- a primeira lei do céu.
Alexander Pop
As constantes fundamentais do mundo são aquelas constantes que fornecem informações sobre as propriedades mais gerais e fundamentais da matéria. Estes, por exemplo, incluem G, c, e, h, m e, etc. O comum que une essas constantes é a informação que elas contêm. Assim, a constante gravitacional G é uma característica quantitativa da interação universal inerente a todos os objetos do Universo - a gravitação. A velocidade da luz c é a velocidade máxima possível de propagação de quaisquer interações na natureza. A carga elementar e é o valor mínimo possível da carga elétrica que existe na natureza em estado livre (quarks com cargas elétricas fracionárias, aparentemente, em estado livre existem apenas em um plasma de quark-glúon superdenso e quente). Constante
A barra h determina a variação mínima quantidade física, chamado de ação, e desempenha um papel fundamental na física do micromundo. A massa de repouso m e de um elétron é uma característica das propriedades inerciais da partícula elementar carregada estável mais leve.
Por uma constante de alguma teoria, entendemos um valor que, dentro da estrutura dessa teoria, é considerado sempre inalterado. A presença de constantes nas expressões de muitas leis da natureza reflete a relativa invariância de certos aspectos da realidade, que se manifesta na presença de regularidades.
As constantes fundamentais c, h, e, G, etc. são as mesmas para todas as seções da Metagaláxia e não mudam com o tempo, por isso são chamadas de constantes mundiais. Algumas combinações de constantes mundiais determinam algo importante na estrutura dos objetos da natureza e também formam o caráter de várias teorias fundamentais.
determina o tamanho da camada espacial para fenômenos atômicos (aqui m e é a massa do elétron), e
Energias características desses fenômenos; quantum para um fluxo magnético de grande escala em supercondutores é dado pela quantidade
a massa limite de objetos astrofísicos estacionários é determinada pela combinação:
onde mN é a massa do núcleon; 120
todo o aparato matemático da eletrodinâmica quântica é baseado na existência de uma pequena quantidade adimensional
determinar a intensidade das interações eletromagnéticas.
Uma análise das dimensões das constantes fundamentais leva a uma nova compreensão do problema como um todo. Constantes fundamentais dimensionais individuais, como observado acima, desempenham um certo papel na estrutura das teorias físicas correspondentes. Quando se trata do desenvolvimento de uma descrição teórica unificada de todos os processos físicos, a formação de uma imagem científica unificada do mundo, constantes físicas dimensionais dão lugar a constantes fundamentais adimensionais, como o papel dessas
constantes na formação da estrutura e propriedades do universo é muito grande. A constante de estrutura fina é uma característica quantitativa de um dos quatro tipos de interações fundamentais que existem na natureza - eletromagnética. Além da interação eletromagnética, outras interações fundamentais são gravitacionais, fortes e fracas. Existência de uma constante de interação eletromagnética adimensional
Obviamente, assume a presença de constantes adimensionais semelhantes, que são características dos outros três tipos de interações. Essas constantes também são caracterizadas pelas seguintes constantes fundamentais adimensionais - a constante de interação forte 
- constante de interação fraca:
onde é a constante de Fermi
para interações fracas;
constante de interação gravitacional:
Valores numéricos de constantes 
determinar
a "força" relativa dessas interações. Assim, a interação eletromagnética é cerca de 137 vezes mais fraca que a forte. A mais fraca é a interação gravitacional, que é 10 39 menos que a forte. As constantes de interação também determinam a rapidez das transformações de uma partícula em outra em vários processos. A constante de interação eletromagnética descreve a transformação de quaisquer partículas carregadas nas mesmas partículas, mas com uma mudança no estado de movimento mais um fóton. A constante de interação forte é uma característica quantitativa das transformações mútuas dos bárions com a participação dos mésons. A constante de interação fraca determina a intensidade das transformações de partículas elementares em processos envolvendo neutrinos e antineutrinos.
É necessário notar mais uma constante física adimensional que determina a dimensão do espaço físico, que denotamos por N. É costume para nós que eventos físicos ocorram no espaço tridimensional, ou seja, N = 3, embora o desenvolvimento de a física tem levado repetidamente ao surgimento de conceitos que não se enquadram no “senso comum”, mas que refletem os processos reais que existem na natureza.
Assim, as constantes fundamentais dimensionais "clássicas" desempenham um papel decisivo na estrutura das teorias físicas correspondentes. A partir deles, as constantes adimensionais fundamentais da teoria unificada das interações são formadas - 
Essas constantes e algumas outras, assim como a dimensão do espaço N, determinam a estrutura do Universo e suas propriedades.