„Să rezumăm câteva rezultate. Cartea de referință „Tabelele mărimilor fizice” (M.: Atomizdat, 1976) conține 1005 pagini de text și multe milioane de numere; cum sa te descurci cu ei?

Aceste cantități sunt împărțite în cel puțin patru tipuri.

a) Unități naturale de măsură sau puncte de spectre marcate fizic. Acestea nu sunt numere, ci cantități precum G, c, h, m e, e (sarcina electronilor). Acestea sunt caracteristicile dimensionale ale unor fenomene care pot fi reproduse de multe ori, cu un grad înalt precizie. Aceasta este o reflectare a faptului că natura reproduce situații elementare în serii uriașe. Reflecțiile asupra identității blocurilor de construcție similare ale universului au condus uneori la idei fizice atât de profunde precum statisticile Bose-Einstein și Fermi-Dirac. Ideea fantastică a lui Wheeler că toți electronii sunt identici, deoarece sunt secțiuni instantanee ale unei linii mondiale încurcate într-o bilă de un electron, a condus Feynman la o simplificare elegantă a tehnicii schematice a calculelor în teoria cuantică a câmpurilor.

b) Constante adevărate sau fără dimensiuni. Acesta este raportul mai multor puncte marcate din spectrul unei mărimi de aceeași dimensiune, de exemplu, raportul maselor particulelor electrice: am menționat deja m p / m e . Identificarea diferitelor dimensiuni, ținând cont de noua lege, adică reducerea grupului de dimensiuni, duce la unificarea spectrelor diferite anterior și la necesitatea explicării unor noi numere.

De exemplu, dimensiunile m e , c și h generează grupul Newton și, prin urmare, conduc la aceleași unități atomice naturale de dimensiunile M, L, T, precum și unitățile Planck. Prin urmare, relația lor cu unitățile Planck necesită o explicație teoretică, dar, așa cum am spus, acest lucru este imposibil atâta timp cât nu există o teorie (G, c, h). Cu toate acestea, în teoria (m e, c, h) - electrodinamica cuantică - există o mărime adimensională, a cărei valoare îi datorează existența electrodinamica cuantică modernă într-un anumit sens al cuvântului. Să plasăm doi electroni la o distanță h/ m e c (așa-numita lungime de undă Compton a unui electron) și să măsurăm raportul dintre energia respingerii lor electrostatice și energia m e c 2 echivalentă cu masa în repaus a electronului. Obțineți numărul a \u003d 7,2972 x 10 -3 ≈ 1/137. Aceasta este celebra constantă a structurii fine.

Electrodinamica cuantică descrie, în special, procese în care numărul de particule nu este conservat: vidul creează perechi electron-pozitron, ele anihilează. Datorită faptului că energia de producție (nu mai puțin de 2m e c 2) este de sute de ori mai mare decât energia interacțiunii caracteristice Coulomb (datorită valorii lui a), este posibil să se realizeze o schemă eficientă de calcul în care aceste corecții radiative nu sunt eliminate complet, dar nici nu „strică viața” teoreticianului fără speranță.

Nu există o explicație teoretică pentru valoarea lui α. Matematicienii au propriile lor spectre remarcabile: spectrele operatorilor liniari distinși-generatori de grupuri simple de Lie în reprezentări ireductibile, volumele domeniilor fundamentale, dimensiunile spațiilor de omologie și coomologie etc. limitând alegerea. Dar să revenim la constante.

Următorul lor tip, care ocupă mult spațiu în tabele, este:

c) Factorii de conversie de la o scară la alta, de exemplu, de la atomic la „uman”. Acestea includ: numărul deja menționat Avogadro N 0 = 6,02 x 10 23 - în esență un gram, exprimat în unități de „masă a protonilor”, deși definiția tradițională este ușor diferită, precum și lucruri precum un an lumină în kilometri. Cei mai dezgustători pentru matematicianul de aici sunt, desigur, factorii de conversie de la o unitate lipsită de sens fizic la alta, la fel de lipsite de sens: de la coți la picioare sau de la Réaumur la Fahrenheit. Din punct de vedere uman, acestea sunt uneori cele mai importante numere; după cum a remarcat Winnie the Pooh: „Nu știu câți litri, metri și kilograme sunt în el, dar tigrii, când sar, ni se par uriași.”

d) „Spectre difuze”. Aceasta este o caracteristică a materialelor (nu elemente sau compuși puri, ci clase tehnologice obișnuite de oțel, aluminiu, cupru), date astronomice (masa Soarelui, diametrul Galaxiei ...) și multe de același fel. Natura produce pietre, planete, stele și galaxii, fără să-i pese de asemănarea lor, spre deosebire de electroni, dar totuși caracteristicile lor se schimbă doar în anumite limite. Explicațiile teoretice ale acestor „zone permise”, atunci când sunt cunoscute, sunt remarcabil de interesante și instructive.

Manin Yu.I., Matematica ca metaforă, M., „Editura MTsNMO”, 2010, p. 177-179.

Constanta de interactiune

Material din enciclopedia rusă gratuită „Tradiție”

Constanta de interactiune(uneori termenul constanta de cuplare) este un parametru în teoria câmpului care determină puterea relativă a oricărei interacțiuni între particule sau câmpuri. În teoria cuantică a câmpurilor, constantele de interacțiune sunt asociate cu vârfuri în diagramele de interacțiune corespunzătoare. Ca constante de interacțiune, sunt utilizați atât parametrii adimensionali, cât și mărimile înrudite care caracterizează interacțiunile și au dimensiuni. Exemple sunt interacțiunea electromagnetică adimensională și cea electrică, măsurată în C.

1 Comparația interacțiunilor 1.1 Interacțiune gravitațională 1.2 Interacțiune slabă 1.3 Interacțiune electromagnetică 1.4 Interacțiune puternică 2 Constante în teoria câmpului cuantic 3 Constante în alte teorii 3.1 Teoria corzilor 3.2 gravitație puternică 3.3 Interacțiuni la nivelul stelelor 4 Legături 5 Vezi si 6 Literatură 7 Link-uri suplimentare

Comparația interacțiunilor

Dacă alegem un obiect care participă la toate cele patru interacțiuni fundamentale, atunci valorile constantelor de interacțiune adimensională ale acestui obiect, găsite din regula generala, va arăta puterea relativă a acestor interacțiuni. Protonul este cel mai adesea folosit ca atare obiect la nivelul particulelor elementare. Energia de bază pentru compararea interacțiunilor este energia electromagnetică a unui foton, prin definiție egală cu:

unde - , - viteza luminii, - lungimea de undă a fotonului. Alegerea energiei fotonului nu este întâmplătoare, de la bază stiinta moderna constă reprezentarea undelor bazată pe unde electromagnetice. Cu ajutorul lor, se fac toate măsurătorile de bază - lungime, timp și inclusiv energia.

Interacțiune gravitațională

Interacțiune slabă

Energia asociată cu interacțiunea slabă poate fi reprezentată sub următoarea formă:

unde este sarcina efectivă a interacțiunii slabe, este masa particulelor virtuale considerate a fi purtătoarea interacțiunii slabe (bosonii W și Z).

Pătratul sarcinii efective a interacțiunii slabe pentru un proton este exprimat în termenii constantei Fermi J m 3 și a masei protonului:

La distanțe suficient de mici, exponențialul în energia interacțiunii slabe poate fi neglijat. În acest caz, constanta de interacțiune slabă adimensională este definită după cum urmează:

Interacțiune electromagnetică

Interacțiunea electromagnetică a doi protoni imobili este descrisă de energia electrostatică:

Unde - , - .

Raportul dintre această energie și energia fotonului determină constanta de interacțiune electromagnetică, cunoscută ca:

Interacțiune puternică

La nivelul hadronilor din Modelul Standard al fizicii particulelor, este considerată o interacțiune „reziduală” care intră în hadroni. Se presupune că gluonii, ca purtători ai interacțiunii puternice, generează mezoni virtuali în spațiul dintre hadroni. În modelul Yukawa pion-nucleon, forțele nucleare dintre nucleoni sunt explicate ca rezultat al schimbului de pioni virtuali, iar energia de interacțiune are următoarea formă:

unde este sarcina efectivă a interacțiunii pseudoscalare pion-nucleon, este masa pionului.

Constanta de interacțiune puternică adimensională este:

Constante în teoria câmpului cuantic

Efectele de interacțiune în teoria câmpului sunt adesea definite folosind teoria perturbațiilor, în care funcțiile din ecuații sunt extinse în puteri ale constantei de interacțiune. De obicei, pentru toate interacțiunile, cu excepția celei puternice, constanta de interacțiune este mult mai mică decât unitatea. Acest lucru face ca aplicarea teoriei perturbațiilor să fie eficientă, deoarece contribuția termenilor superiori ai expansiunilor scade rapid și calculul lor devine inutil. În cazul unei interacțiuni puternice, teoria perturbației devine nepotrivită și sunt necesare alte metode de calcul.

Una dintre predicțiile teoriei câmpului cuantic este așa-numitul efect de „constante plutitoare”, conform căruia constantele de interacțiune se schimbă lent odată cu creșterea energiei transferate în timpul interacțiunii particulelor. Deci, constanta de interacțiune electromagnetică crește, iar constanta de interacțiune puternică scade odată cu creșterea energiei. Quarcii din cromodinamica cuantică au propria lor constantă de interacțiune puternică:

unde este încărcătura efectivă de culoare a unui quarc care emite gluoni virtuali pentru a interacționa cu un alt quarc. Odată cu scăderea distanței dintre quarci, realizată în ciocnirile de particule cu energie mare, se așteaptă o scădere logaritmică și o slăbire a interacțiunii puternice (efectul libertății asimptotice a quarcilor). Pe scara energiei transferate de ordinul masei-energii a bosonului Z (91,19 GeV) se constată că La aceeași scară de energie, constanta de interacțiune electromagnetică crește la o valoare de ordinul 1/127 în loc de ≈1/137 la energii joase. Se presupune că la energii și mai mari, aproximativ 10 18 GeV, valorile constantelor interacțiunilor gravitaționale, slabe, electromagnetice și puternice ale particulelor se vor apropia unele de altele și pot chiar deveni aproximativ egale între ele.

Constante în alte teorii

Teoria corzilor

În teoria corzilor, constantele de interacțiune nu sunt considerate constante, ci sunt de natură dinamică. În special, aceeași teorie la energii joase arată ca și cum corzile se mișcă în zece dimensiuni, iar la energii mari - în unsprezece. O modificare a numărului de măsurători este însoțită de o modificare a constantelor de interacțiune.

gravitație puternică

Împreună cu și forțele electromagnetice sunt considerate principalele componente ale interacțiunii puternice în . În acest model, în loc să se ia în considerare interacțiunea dintre quarci și gluoni, sunt luate în considerare doar două câmpuri fundamentale - gravitațional și electromagnetic, care acționează în materia încărcată și în masă a particulelor elementare, precum și în spațiul dintre ele. În același timp, se presupune că quarcii și gluonii nu sunt particule reale, ci cvasiparticule, reflectând proprietățile cuantice și simetriile inerente materiei hadronice. Această abordare reduce drastic numărul parametrilor liberi de fapt nefundamentați, dar postulați, ceea ce este record pentru teoriile fizice, în modelul standard al fizicii particulelor elementare, în care există cel puțin 19 astfel de parametri.

O altă consecință este că interacțiunile slabe și puternice nu sunt considerate interacțiuni independente de câmp. Interacțiunea puternică se reduce la combinații de forțe gravitaționale și electromagnetice, în care efectele de întârziere a interacțiunii (câmpuri de torsiune dipol și orbitale și forțe magnetice) joacă un rol important. În consecință, constanta de interacțiune puternică este determinată prin analogie cu constanta de interacțiune gravitațională:

Este util să înțelegem care constante sunt fundamentale în general. Luați, de exemplu, viteza luminii. Faptul că este finit este fundamental, nu sensul său. În sensul că am determinat distanța și timpul astfel încât să fie așa. În alte unități, ar fi diferit.

Ce este atunci fundamental? Rapoarte adimensionale și forțe de interacțiune caracteristice, care sunt descrise prin constante de interacțiune adimensională. În linii mari, constantele de interacțiune caracterizează probabilitatea unui proces. De exemplu, constanta electromagnetică caracterizează cu ce probabilitate se va împrăștia un electron pe un proton.

Să vedem cum putem construi logic mărimi dimensionale. Puteți introduce raportul dintre masele protonului și electronului și o constantă specifică a interacțiunii electromagnetice. Atomii vor apărea în universul nostru. Puteți lua o anumită tranziție atomică și luați frecvența luminii emise și măsurați totul în perioada oscilațiilor luminii. Iată unitatea de timp. Lumina în acest timp va zbura la o anumită distanță, așa că obținem o unitate de distanță. Un foton cu o astfel de frecvență are un fel de energie, s-a dovedit o unitate de energie. Și apoi puterea interacțiunii electromagnetice este de așa natură încât dimensiunea atomului este atât de mare în noile noastre unități. Măsurăm distanța ca raport dintre timpul de zbor al luminii prin atom și perioada de oscilație. Această valoare depinde doar de puterea interacțiunii. Dacă definim acum viteza luminii ca raportul dintre dimensiunea unui atom și perioada de oscilație, obținem un număr, dar nu este fundamental. Al doilea și metrul sunt scale caracteristice de timp și distanță pentru noi. În ele, măsurăm viteza luminii, dar valoarea ei specifică nu are sens fizic.

Experiment de gândire, să existe un alt univers, în care contorul este exact de două ori mai mare decât al nostru, dar toate constantele și relațiile fundamentale sunt aceleași. Apoi interacțiunile vor dura de două ori mai mult pentru a se propaga, iar ființele asemănătoare oamenilor vor percepe o secundă la jumătate din viteză. Bineînțeles că nu simt asta. Când măsoară viteza luminii, vor obține aceeași valoare ca și noi. Pentru că măsoară în metrii și secundele lor caracteristice.

Prin urmare, fizicienii nu acordă o importanță fundamentală faptului că viteza luminii este de 300.000 km/s. Și constanta interacțiunii electromagnetice, așa-numita constantă a structurii fine (este aproximativ 1/137) este atașată.

Mai mult, desigur, constantele interacțiunilor fundamentale (electromagnetism, interacțiuni puternice și slabe, gravitație) asociate proceselor corespunzătoare depind de energiile acestor procese. Interacțiunea electromagnetică pe scara de energie de ordinul masei electronilor este una, iar pe scara de ordinul masei bosonului Higgs, este diferită, mai mare. Puterea interacțiunii electromagnetice crește odată cu energia. Dar modul în care constantele de interacțiune se modifică cu energia poate fi calculat știind ce fel de particule avem și care sunt rapoartele lor de proprietăți.

Prin urmare, pentru a descrie pe deplin interacțiunile fundamentale la nivelul nostru de înțelegere, este suficient să știm ce set de particule avem, raporturile de masă ale particulelor elementare, constantele de interacțiune pe o scară, de exemplu, pe scara masa electronului și raportul de forțe cu care fiecare particulă anume interacționează această interacțiune, în cazul electromagnetic acesta corespunde raportului de sarcini (sarcina unui proton este egală cu sarcina unui electron, deoarece forța de interacțiune a unui electron cu un electron coincide cu forța de interacțiune a unui electron cu un proton, dacă ar fi de două ori mai mare, atunci forța ar fi de două ori mai mare, forța se măsoară, repet, în probabilități adimensionale). Întrebarea se rezumă la de ce sunt.

Aici nu este totul clar. Unii oameni de știință cred că va apărea o teorie mai fundamentală din care va urmări modul în care sunt legate masele, sarcinile și așa mai departe. Acesta din urmă este, într-un fel, răspuns de mari teorii unificate. Unii oameni cred că principiul antropic este la lucru. Adică, dacă constantele fundamentale ar fi diferite, pur și simplu nu am exista într-un astfel de univers.

Cât de neînchipuit de ciudată ar fi lumea dacă constantele fizice s-ar putea schimba! De exemplu, așa-numita constantă de structură fină este aproximativ egală cu 1/137. Dacă ar avea o valoare diferită, atunci poate că nu ar fi nicio diferență între materie și energie.

Sunt lucruri care nu se schimbă niciodată. Oamenii de știință le numesc constante fizice sau constante mondiale. Se crede că viteza luminii $c$, constanta gravitațională $G$, masa electronilor $m_e$ și alte cantități rămân mereu și pretutindeni neschimbate. Ele formează baza pe care se bazează teoriile fizice și determină structura universului.

Fizicienii lucrează din greu pentru a măsura constantele lumii cu o acuratețe din ce în ce mai mare, dar nimeni nu a reușit încă să explice în vreun fel de ce valorile lor sunt așa cum sunt. În sistemul SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( - 31) $ kg - cantități complet neînrudite care au o singură proprietate comună: dacă se schimbă măcar puțin, iar existența unor structuri atomice complexe, inclusiv a organismelor vii, va fi pusă sub semnul întrebării. Dorința de a justifica valorile constantelor a devenit unul dintre stimulentele pentru dezvoltarea unei teorii unificate care descrie pe deplin toate fenomenele existente. Cu ajutorul ei, oamenii de știință au sperat să arate că fiecare constantă mondială poate avea o singură valoare posibilă, datorită mecanismelor interne care determină arbitrariul înșelător al naturii.

Cel mai bun candidat pentru titlul unei teorii unificate este teoria M (o variantă a teoriei corzilor), care poate fi considerată consistentă dacă Universul nu are patru dimensiuni spațiu-timp, ci unsprezece. Prin urmare, este posibil ca constantele pe care le observăm să nu fie cu adevărat fundamentale. Adevăratele constante există în întreg spațiul multidimensional și vedem doar „siluetele” lor tridimensionale.

PREZENTARE GENERALĂ: CONSTANTE LUMII

1. În multe ecuații fizice, există cantități care sunt considerate constante peste tot - în spațiu și timp.

2. Recent, oamenii de știință s-au îndoit de constanța constantelor lumii. Comparând rezultatele observațiilor de quasari și măsurătorile de laborator, ei concluzionează că elemente chimiceîn trecutul îndepărtat au absorbit lumina altfel decât o fac astăzi. Diferența poate fi explicată printr-o modificare de câteva milioanemi a constantei structurii fine.

3. Confirmarea chiar și a unei astfel de mici schimbări va fi o adevărată revoluție în știință. Constantele observate se pot dovedi a fi doar „siluete” ale constantelor adevărate care există în spațiu-timp multidimensional.

Între timp, fizicienii au ajuns la concluzia că valorile multor constante pot fi rezultatul unor evenimente aleatorii și al interacțiunilor dintre particulele elementare din primele etape ale istoriei universului. Teoria corzilor permite existența unui număr mare ($10^(500)$) de lumi cu seturi diferite de legi și constante auto-consistente ( vezi Landscape of String Theory, In the World of Science, nr. 12, 2004.). Până acum, oamenii de știință nu au idee de ce a fost selectată combinația noastră. Poate că, ca urmare a cercetărilor ulterioare, numărul de lumi posibile logic va scădea la una, dar este posibil ca Universul nostru să fie doar o mică parte a multiversului, în care sunt implementate diverse soluții ale ecuațiilor unei teorii unificate, și observăm doar una dintre variantele legilor naturii ( vezi Parallel Universes, In the World of Science, nr. 8, 2003).În acest caz, pentru multe constante ale lumii nu există nicio explicație, cu excepția faptului că ele constituie o combinație rară care permite dezvoltarea conștiinței. Poate că universul pe care îl observăm a devenit una dintre multele oaze izolate înconjurate de o infinitate de spațiu exterior fără viață - un loc suprarealist în care domină forțe ale naturii complet străine pentru noi, iar particule precum electronii și structuri precum atomii de carbon și moleculele de ADN sunt pur și simplu imposibile. Încercarea de a ajunge acolo ar fi fost fatală.

Teoria corzilor a fost dezvoltată și pentru a explica aparentul arbitrar al constantelor fizice, astfel încât ecuațiile sale de bază conțin doar câțiva parametri arbitrari. Dar până acum nu explică valorile observate ale constantelor.

Riglă de încredere

De fapt, folosirea cuvântului „constant” nu este în întregime legitimă. Constantele noastre s-ar putea schimba în timp și spațiu. Dacă dimensiunile extraspațiale s-ar schimba în dimensiune, constantele din lumea noastră tridimensională s-ar schimba odată cu ele. Și dacă ne-am uita suficient de departe în spațiu, am putea vedea zone în care constantele au luat valori diferite. Din anii 1930 oamenii de știință au speculat că constantele ar putea să nu fie constante. Teoria corzilor conferă acestei idei o plauzibilitate teoretică și face căutarea impermanenței cu atât mai importantă.

Prima problemă este că configurația laboratorului în sine poate fi sensibilă la modificările constantelor. Mărimea tuturor atomilor ar putea crește, dar dacă rigla folosită pentru măsurători ar deveni și mai lungă, nu s-ar putea spune nimic despre modificarea dimensiunii atomilor. Experimentatorii presupun, de obicei, că standardele de măsurare (rigle, greutăți, ceasuri) sunt neschimbate, dar acest lucru nu poate fi obținut la verificarea constantelor. Cercetătorii ar trebui să acorde atenție constantelor fără dimensiuni - doar numere care nu depind de sistemul de unități, de exemplu, raportul dintre masa unui proton și masa unui electron.

Se schimbă structura internă a universului?

Un interes deosebit este cantitatea $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, care combină viteza luminii $c$, sarcina electrică a electronului $e$, constanta lui Planck $h$ și așa- numită constantă dielectrică a vidului $\epsilon_0$. Se numește constantă de structură fină. A fost introdus pentru prima dată în 1916 de către Arnold Sommerfeld, care a fost unul dintre primii care a încercat să aplice mecanica cuantică la electromagnetism: $\alpha$ conectează caracteristicile relativiste (c) și cuantice (h) ale interacțiunilor electromagnetice (e) care implică particule încărcate în spațiul gol ($\epsilon_0$). Măsurătorile au arătat că această valoare este 1/137,03599976 (aproximativ 1/137).

Dacă $\alpha $ ar avea un alt sens, atunci întreaga lume s-ar schimba. Fie că este o densitate mai mică solid, format din atomi, ar scădea (proporțional cu $\alpha^3 $), legăturile moleculare s-ar rupe la temperaturi mai scăzute ($\alpha^2 $), iar numărul de elemente stabile din tabelul periodic ar putea crește ($1/ \alpha $). Dacă $\alpha $ s-ar dovedi a fi prea mari, nucleele atomice mici nu ar putea exista, deoarece forțele nucleare care le leagă nu ar fi capabile să împiedice respingerea reciprocă a protonilor. Pentru $\alpha >0,1 $ carbon nu ar putea exista.

Reacțiile nucleare din stele sunt deosebit de sensibile la $\alpha $. Pentru ca fuziunea nucleară să aibă loc, gravitația stelei trebuie să creeze suficient temperatura ridicata pentru a forța nucleele să se apropie în ciuda tendinței lor de a se respinge reciproc. Dacă $\alpha $ ar fi mai mare de 0,1, atunci fuziunea ar fi imposibilă (cu excepția cazului în care, desigur, alți parametri, cum ar fi raportul dintre masele electronilor și protonilor, au rămas neschimbați). O modificare a $\alpha$ cu doar 4% ar afecta nivelurile de energie din miezul carbonului într-o asemenea măsură încât apariția lui în stele ar înceta pur și simplu.

Implementarea tehnicilor nucleare

A doua problemă, mai serioasă, experimentală, este că măsurarea modificărilor constantelor necesită echipamente de înaltă precizie, care trebuie să fie extrem de stabile. Chiar și cu ceasurile atomice, deriva constantei structurii fine poate fi urmărită doar pentru câțiva ani. Dacă $\alpha $ s-ar schimba cu mai mult de 4 $\cdot$ $10^(–15)$ în trei ani, ceasul cel mai precis ar putea detecta acest lucru. Cu toate acestea, nimic de acest fel nu a fost încă înregistrat. S-ar părea, de ce nu confirmarea constanței? Dar trei ani pentru spațiu sunt o clipă. Schimbările lente, dar semnificative din istoria universului pot trece neobservate.

STRUCTURA FINĂ UȘOARĂ ȘI PERMANENTĂ

Din fericire, fizicienii au găsit alte modalități de a verifica. În anii 1970 oamenii de știință de la Comisia Franceză pentru Energie Atomică au observat unele caracteristici în compoziția izotopică a minereului din mina de uraniu de la Oklo în Gabon ( Africa de Vest): semăna cu deșeurile dintr-un reactor nuclear. Aparent, în urmă cu aproximativ 2 miliarde de ani, în Oklo s-a format un reactor nuclear natural ( vezi Divine Reactor, In the World of Science, nr. 1, 2004).

În 1976, Alexander Shlyakhter de la Institutul de Fizică Nucleară din Leningrad a observat că performanța reactoarelor naturale depinde în mod critic de energia exactă a stării specifice a nucleului de samariu care captează neutronii. Și energia în sine este strâns legată de valoarea $\alpha $. Deci, dacă constanta structurii fine ar fi fost ușor diferită, nu ar fi putut avea loc nicio reacție în lanț. Dar s-a întâmplat cu adevărat, ceea ce înseamnă că în ultimii 2 miliarde de ani constanta nu s-a schimbat cu mai mult de 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Fizicienii continuă să discute despre rezultatele cantitative exacte din cauza incertitudinii inevitabile cu privire la condițiile dintr-un reactor natural.)

În 1962, P. James E. Peebles și Robert Dicke de la Universitatea Princeton au fost primii care au aplicat o astfel de analiză meteoriților antici: abundența relativă a izotopilor rezultată din dezintegrarea lor radioactivă depinde de $\alpha $. Cea mai sensibilă limitare este asociată cu degradarea beta în conversia reniului în osmiu. Conform lucrărilor recente ale lui Keith Olive de la Universitatea din Minnesota și Maxim Pospelov de la Universitatea Victoria din Columbia Britanică, $\alpha$ a diferit de valoarea sa actuală cu 2 $\cdot$ $10^ la momentul formării meteoriților (–6). )$. Acest rezultat este mai puțin exact decât datele obținute la Oklo, dar merge mai mult înapoi în timp, până la apariția sistem solar acum 4,6 miliarde de ani.

Pentru a explora posibilele schimbări pe perioade chiar mai lungi de timp, cercetătorii trebuie să privească spre cer. Lumina de la obiecte astronomice îndepărtate ajunge la telescoapele noastre timp de miliarde de ani și poartă amprenta legilor și constantelor lumii din acele vremuri când tocmai și-a început călătoria și interacțiunea cu materia.

Liniile spectrale

Astronomii s-au implicat în povestea constantelor la scurt timp după descoperirea quasarelor în 1965, care tocmai fuseseră descoperite și identificate ca surse de lumină strălucitoare situate la distanțe mari de Pământ. Deoarece calea luminii de la quasar până la noi este atât de lungă, ea traversează inevitabil cartierele gazoase ale galaxiilor tinere. Gazul absoarbe lumina quasar la frecvențe specifice, imprimând un cod de bare de linii înguste pe spectrul său (vezi caseta de mai jos).

CĂUTAREA MODIFICĂRII RADIAȚIEI QUASAR

Când un gaz absoarbe lumină, electronii conținuti în atomi sar de la nivel scăzut niveluri de energie la cele mai înalte. Nivelurile de energie sunt determinate de cât de puternic nucleul atomic reține electronii, care depinde de puterea interacțiunii electromagnetice dintre ei și, prin urmare, de constanta structurii fine. Dacă era diferit în momentul în care lumina a fost absorbită sau într-o anumită regiune a universului în care sa întâmplat, atunci energia necesară pentru a muta un electron la un nou nivel și lungimile de undă ale tranzițiilor observate în spectre ar trebui fi diferit de cel observat astăzi în experimentele de laborator. Natura modificării lungimilor de undă depinde în mod critic de distribuția electronilor pe orbitele atomice. Pentru o anumită modificare a $\alpha$, unele lungimi de undă scad, în timp ce altele cresc. Modelul complex de efecte este greu de confundat cu erorile de calibrare a datelor, ceea ce face ca un astfel de experiment să fie extrem de util.

Când am început să lucrăm acum șapte ani, ne-am confruntat cu două probleme. În primul rând, lungimile de undă ale multor linii spectrale nu au fost măsurate cu suficientă precizie. În mod ciudat, oamenii de știință știau mult mai multe despre spectrele quasarelor aflate la miliarde de ani lumină distanță decât despre spectrele probelor terestre. Aveam nevoie de măsurători de laborator de înaltă precizie pentru a compara spectrele quasarului cu acestea și i-am convins pe experimentatori să facă măsurătorile corespunzătoare. Acestea au fost realizate de Anne Thorne și Juliet Pickering de la Colegiul Imperial din Londra, iar mai târziu de echipe conduse de Sveneric Johansson de la Observatorul Lund din Suedia și de Ulf Griesmann și Rainer Kling (Rainer Kling) de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din Suedia. Maryland.

A doua problemă a fost că observatorii anteriori au folosit așa-numitele dublete alcaline, perechi de linii de absorbție care apar în gazele atomice de carbon sau siliciu. Ei au comparat intervalele dintre aceste linii din spectrele quasarului cu măsurătorile de laborator. Cu toate acestea, această metodă nu a permis utilizarea unui fenomen specific: variațiile în $\alpha $ determină nu numai o modificare a intervalului dintre nivelurile de energie ale unui atom față de nivelul cu cea mai scăzută energie (starea fundamentală), dar de asemenea, o schimbare a poziţiei stării fundamentale în sine. De fapt, al doilea efect este chiar mai puternic decât primul. Ca rezultat, acuratețea observațiilor a fost de numai 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

În 1999, unul dintre autorii lucrării (Web) și Victor V. Flambaum de la Universitatea din New South Wales din Australia au dezvoltat o tehnică care să țină cont de ambele efecte. Ca urmare, sensibilitatea a fost crescută de 10 ori. În plus, a devenit posibilă compararea tipuri diferite atomi (de exemplu, magneziu și fier) ​​și efectuați verificări încrucișate suplimentare. Au trebuit efectuate calcule complicate pentru a stabili exact cum variază lungimile de undă observate în diferite tipuri de atomi. Înarmați cu telescoape și senzori de ultimă generație, am decis să testăm persistența $\alpha$ cu o acuratețe fără precedent, folosind o nouă metodă de mai mulți multipleți.

Revizuirea vederilor

Când am început experimentele, am vrut pur și simplu să stabilim cu o mai mare acuratețe că valoarea constantei structurii fine în antichitate era aceeași ca și astăzi. Spre surprinderea noastră, rezultatele obținute în 1999 au arătat diferențe mici, dar semnificative statistic, care au fost ulterior confirmate. Folosind date de la 128 de linii de absorbție de quasar, am înregistrat o creștere a $\alpha$ cu 6 $\cdot$ $10^(–6)$ în ultimii 6–12 miliarde de ani.

Rezultatele măsurătorilor constantei structurii fine nu ne permit să tragem concluzii finale. Unii dintre ei indică faptul că a fost cândva mai mic decât este acum, iar alții nu sunt. Poate că α sa schimbat în trecutul îndepărtat, dar acum a devenit constantă. (Casutele reprezintă intervalul de date.)

Afirmațiile îndrăznețe necesită dovezi solide, așa că primul nostru pas a fost să revizuim cu atenție metodele noastre de colectare și analiză a datelor. Erorile de măsurare pot fi împărțite în două tipuri: sistematice și aleatorii. Cu inexactități aleatorii, totul este simplu. În fiecare dimensiune individuală pe care o iau sensuri diferite, care, cu un număr mare de măsurători, sunt mediate și tind spre zero. Erorile sistematice care nu sunt mediate sunt mai dificil de tratat. În astronomie, incertitudini de acest fel sunt întâlnite la fiecare pas. În experimentele de laborator, instrumentele pot fi reglate pentru a minimiza erorile, dar astronomii nu pot „ajusta” universul și trebuie să admită că toate metodele lor de colectare a datelor conțin părtiniri inerente. De exemplu, distribuția spațială observată a galaxiilor este în mod semnificativ părtinitoare către galaxii luminoase, deoarece acestea sunt mai ușor de observat. Identificarea și neutralizarea acestor schimbări este o provocare constantă pentru observatori.

În primul rând, am atras atenția asupra posibilei distorsiuni a scalei lungimii de undă, în raport cu care au fost măsurate liniile spectrale ale quasarului. Ar putea apărea, de exemplu, în timpul procesării rezultatelor „brute” ale observării quasarelor într-un spectru calibrat. Deși simpla întindere liniară sau micșorare a scalei lungimii de undă nu ar putea imita cu exactitate schimbarea în $\alpha$, chiar și o asemănare aproximativă ar fi suficientă pentru a explica rezultatele. Treptat, am eliminat erorile simple asociate cu distorsiunile prin înlocuirea datelor de calibrare în locul rezultatelor observației quasarului.

De mai bine de doi ani, investigăm diverse cauze ale părtinirii pentru a ne asigura că impactul lor este neglijabil. Am găsit o singură sursă potențială de erori grave. Vorbim despre liniile de absorbție a magneziului. Fiecare dintre cei trei izotopi stabili ai săi absoarbe lumina cu lungimi de undă diferite, care sunt foarte aproape unul de celălalt și sunt vizibile în spectrele quasarului ca o singură linie. Pe baza măsurătorilor de laborator ale abundenței relative a izotopilor, cercetătorii judecă contribuția fiecăruia dintre ei. Distribuția lor în tânărul Univers ar putea fi semnificativ diferită de cea de astăzi, dacă stelele care emit magneziu ar fi, în medie, mai grele decât omologii lor de astăzi. Astfel de diferențe ar putea imita o schimbare în $\alpha$, dar rezultatele unui studiu publicat anul acesta indică faptul că faptele observate nu sunt atât de ușor de explicat. Yeshe Fenner și Brad K. Gibson de la Universitatea de Tehnologie Swinburne din Australia și Michael T. Murphy de la Universitatea din Cambridge au concluzionat că abundența izotopilor necesară pentru a imita schimbarea $\alpha$ ar duce, de asemenea, la o sinteză în exces de azot la începutul anului. Univers, care este complet inconsecvent cu observațiile. Deci trebuie să trăim cu posibilitatea ca $\alpha$ să se fi schimbat.

CATEORI SE SCHIMBA, CATEORI NU

Conform ipotezei propuse de autorii articolului, în unele perioade ale istoriei cosmice constanta structurii fine a rămas neschimbată, în timp ce în altele a crescut. Datele experimentale (a se vedea inserția anterioară) sunt în concordanță cu această ipoteză.

Comunitatea științifică a apreciat imediat importanța rezultatelor noastre. Cercetătorii spectrelor quasarelor din întreaga lume au efectuat imediat măsurătorile. În 2003, echipele de cercetare ale lui Serghei Levshakov (Sergei Levshakov) de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Sankt Petersburg. Ioffe și Ralf Quast de la Universitatea din Hamburg au studiat trei noi sisteme quasar. Anul trecut, Hum Chand și Raghunathan Srianand de la Centrul Interuniversitar pentru Astronomie și Astrofizică din India, Patrick Petitjean de la Institutul de Astrofizică și Bastien Aracil de la LERMA din Paris au analizat încă 23 de cazuri. Niciunul dintre grupuri nu a găsit modificări la $\alpha$. Chand susține că orice schimbare între 6 și 10 miliarde de ani în urmă trebuie să fie mai mică de o milioneme.

De ce metodologiile similare utilizate pentru analiza diferitelor date sursă au condus la o discrepanță atât de drastică? Răspunsul nu este încă cunoscut. Rezultatele obținute de acești cercetători sunt de o calitate excelentă, dar dimensiunea probelor lor și vârsta radiației analizate sunt semnificativ mai mici decât ale noastre. În plus, Chand a folosit o versiune simplificată a metodei multimultiplet și nu a evaluat pe deplin toate erorile experimentale și sistematice.

Renumitul astrofizician John Bahcall de la Princeton a criticat însăși metoda multi-multipletului, dar problemele pe care le evidențiază sunt din categoria erorilor aleatorii, care sunt minimizate atunci când sunt folosite eșantioane mari. Bacall și Jeffrey Newman de la Laboratorul Național. Lawrence de la Berkeley a luat în considerare liniile de emisie, nu liniile de absorbție. Abordarea lor este mult mai puțin precisă, deși se poate dovedi utilă în viitor.

Reforma legislativă

Dacă rezultatele noastre sunt corecte, consecințele vor fi enorme. Până de curând, toate încercările de a estima ce s-ar întâmpla cu Universul dacă s-ar schimba constanta structurii fine au fost nesatisfăcătoare. Ei nu au mers mai departe decât să considere $\alpha$ ca o variabilă în aceleași formule care au fost obținute sub ipoteza că este constantă. De acord, o abordare foarte dubioasă. Dacă $\alpha $ se modifică, atunci energia și impulsul din efectele asociate cu acesta ar trebui conservate, ceea ce ar trebui să afecteze câmpul gravitațional din Univers. În 1982, Jacob D. Bekenstein de la Universitatea Ebraică din Ierusalim a generalizat pentru prima dată legile electromagnetismului în cazul constantelor neconstante. În teoria sa, $\alpha $ este considerată ca o componentă dinamică a naturii, i.e. ca un câmp scalar. Acum patru ani, unul dintre noi (Barrow), împreună cu Håvard Sandvik și João Magueijo de la Imperial College London, au extins teoria lui Bekenstein pentru a include gravitația.

Predicțiile teoriei generalizate sunt ademenitor de simple. Deoarece electromagnetismul la scară cosmică este mult mai slab decât gravitația, modificările în $\alpha$ cu câteva milioane nu au un efect vizibil asupra expansiunii Universului. Dar expansiunea afectează semnificativ $\alpha $ din cauza discrepanței dintre energiile câmpurilor electrice și magnetice. În primele zeci de mii de ani de istorie cosmică, radiația a dominat particulele încărcate și a menținut un echilibru între câmpurile electrice și magnetice. Pe măsură ce universul s-a extins, radiațiile au devenit rarefiate, iar materia a devenit elementul dominant al cosmosului. Energiile electrice și magnetice s-au dovedit a fi inegale și $\alpha $ au început să crească proporțional cu logaritmul timpului. Cu aproximativ 6 miliarde de ani în urmă, energia întunecată a început să domine, accelerând expansiunea, ceea ce face dificilă propagarea tuturor interacțiunilor fizice în spațiul liber. Ca rezultat, $\alpha$ a devenit din nou aproape constant.

Imaginea descrisă este în concordanță cu observațiile noastre. Liniile spectrale ale quasarului caracterizează acea perioadă a istoriei cosmice când materia domina și $\alpha$ a crescut. Rezultatele măsurătorilor și studiilor de laborator în Oklo corespund perioadei în care domină energia întunecată și $\alpha$ este constantă. Un interes deosebit este studiul în continuare a influenței modificării $\alpha$ asupra elementelor radioactive din meteoriți, deoarece ne permite să studiem tranziția dintre cele două perioade numite.

Alpha este doar începutul

Dacă constanta structurii fine se schimbă, atunci obiectele materiale trebuie să cadă diferit. La un moment dat, Galileo a formulat principiul echivalenței slabe, conform căruia corpurile în vid cad cu aceeași viteză, indiferent din ce sunt făcute. Dar modificările în $\alpha$ trebuie să genereze o forță care acționează asupra tuturor particulelor încărcate. Cu cât un atom conține mai mulți protoni în nucleul său, cu atât îl va simți mai puternic. Dacă concluziile desprinse din analiza rezultatelor observațiilor quasarului sunt corecte, atunci accelerația căderii libere a corpurilor din diferite materiale ar trebui să difere cu aproximativ 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Acesta este de 100 de ori mai mic decât ceea ce poate fi măsurat în laborator, dar suficient de mare pentru a arăta diferențe în experimente precum STEP (Testing the Equivalence Principle in Space).

În studiile anterioare ale $\alpha $, oamenii de știință au neglijat neomogenitatea Universului. Ca toate galaxiile, Calea Lactee este de aproximativ un milion de ori mai densă decât spațiul cosmic, în medie, așa că nu se extinde odată cu universul. În 2003, Barrow și David F. Mota de la Cambridge au calculat că $\alpha$ s-ar putea comporta diferit într-o galaxie decât în ​​regiunile mai goale ale spațiului. De îndată ce o galaxie tânără se condensează și, în timp ce se relaxează, intră în echilibru gravitațional, $\alpha$ devine constantă în interiorul galaxiei, dar continuă să se schimbe în exterior. Astfel, experimentele de pe Pământ care testează persistența $\alpha$ suferă de o selecție părtinitoare a condițiilor. Încă trebuie să ne dăm seama cum afectează acest lucru verificarea principiului echivalenței slabe. Nu au fost observate încă variații spațiale ale $\alpha$. Bazându-se pe omogenitatea CMB, Barrow a arătat recent că $\alpha $ nu variază cu mai mult de 1 $\cdot$ $10^(–8)$ între regiunile sferei cerești distanțate cu $10^o$.

Rămâne să așteptăm apariția unor noi date și noi studii care să confirme sau să infirme în cele din urmă ipoteza despre schimbarea în $\alpha $. Cercetătorii s-au concentrat pe această constantă, pur și simplu pentru că efectele datorate variațiilor sale sunt mai ușor de observat. Dar dacă $\alpha$ este cu adevărat mutabil, atunci și alte constante trebuie să se schimbe. În acest caz, va trebui să admitem că mecanismele interne ale naturii sunt mult mai complicate decât credeam.

DESPRE AUTORI:
John Barrow (John D. Barrow), John Web (John K. Webb) sa angajat în studiul constantelor fizice în 1996, în timpul unui an sabatic comun la Universitatea Sussex din Anglia. Apoi Barrow a explorat noi posibilități teoretice de schimbare a constantelor, iar Web a fost implicat în observarea quasarelor. Ambii autori scriu cărți non-ficțiune și apar adesea în programele de televiziune.

Ordin- prima lege a cerului.

Alexandru Pop

Constantele fundamentale ale lumii sunt astfel de constante care oferă informații despre cele mai generale proprietăți fundamentale ale materiei. Acestea, de exemplu, includ G, c, e, h, m e etc. Lucrul comun care unește aceste constante este informația pe care o conțin. Astfel, constanta gravitațională G este o caracteristică cantitativă a interacțiunii universale inerentă tuturor obiectelor Universului - gravitația. Viteza luminii c este viteza maximă posibilă de propagare a oricăror interacțiuni din natură. Sarcina elementară e este valoarea minimă posibilă a sarcinii electrice care există în natură în stare liberă (cuarcii cu sarcini electrice fracționate, aparent, în stare liberă există doar într-o plasmă superdensă și fierbinte de quarc-gluon). Constant

Bara h determină modificarea minimă cantitate fizica, numită acțiune și joacă un rol fundamental în fizica microlumilor. Masa în repaus m e a unui electron este o caracteristică a proprietăților inerțiale ale celei mai ușoare particule elementare încărcate stabile.

Prin o constantă a unei teorii, înțelegem o valoare care, în cadrul acestei teorii, este considerată a fi întotdeauna neschimbată. Prezența constantelor în expresiile multor legi ale naturii reflectă invarianța relativă a anumitor aspecte ale realității, care se manifestă în prezența regularităților.

Constantele fundamentale c, h, e, G etc. în sine sunt aceleași pentru toate secțiunile Metagalaxiei și nu se modifică în timp, din acest motiv sunt numite constante ale lumii. Unele combinații de constante ale lumii determină ceva important în structura obiectelor naturii și formează, de asemenea, caracterul unui număr de teorii fundamentale.

determină dimensiunea învelișului spațial pentru fenomenele atomice (aici m e este masa electronilor) și

Energii caracteristice acestor fenomene; cuantumul pentru un flux magnetic la scară mare în supraconductori este dat de cantitate

masa limită a obiectelor astrofizice staționare este determinată de combinația:

unde m N este masa nucleonilor; 120

întregul aparat matematic al electrodinamicii cuantice se bazează pe existența unei mici cantități adimensionale

determinarea intensităţii interacţiunilor electromagnetice.

O analiză a dimensiunilor constantelor fundamentale conduce la o nouă înțelegere a problemei în ansamblu. Constantele fundamentale dimensionale individuale, așa cum sa menționat mai sus, joacă un anumit rol în structura teoriilor fizice corespunzătoare. Când vine vorba de dezvoltarea unei descrieri teoretice unificate a tuturor proceselor fizice, formarea unei imagini științifice unificate a lumii, constantele fizice dimensionale dau loc unor constante fundamentale adimensionale, cum ar fi rolul acestora.

constante în formarea structurii și proprietăților universului este foarte mare. Constanta de structură fină este o caracteristică cantitativă a unuia dintre cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale care există în natură - electromagnetice. Pe lângă interacțiunea electromagnetică, alte interacțiuni fundamentale sunt gravitaționale, puternice și slabe. Existența unei constante de interacțiune electromagnetică adimensională

Evident, presupune prezența unor constante adimensionale similare, care sunt caracteristici ale celorlalte trei tipuri de interacțiuni. Aceste constante sunt, de asemenea, caracterizate de următoarele constante fundamentale adimensionale - constanta de interacțiune puternică - constantă de interacțiune slabă:

unde este constanta Fermi

pentru interacțiuni slabe;

constantă de interacțiune gravitațională:

Valorile numerice ale constantelor defini

„puterea” relativă a acestor interacțiuni. Astfel, interacțiunea electromagnetică este de aproximativ 137 de ori mai slabă decât cea puternică. Cea mai slabă este interacțiunea gravitațională, care este cu 10 39 mai mică decât cea puternică. Constantele de interacțiune determină, de asemenea, cât de repede sunt transformările unei particule în alta în diferite procese. Constanta de interacțiune electromagnetică descrie transformarea oricăror particule încărcate în aceleași particule, dar cu o schimbare a stării de mișcare plus un foton. Constanta de interacțiune puternică este o caracteristică cantitativă a transformărilor reciproce ale barionilor cu participarea mezonilor. Constanta de interacțiune slabă determină intensitatea transformărilor particulelor elementare în procesele care implică neutrini și antineutrini.

Este necesar să remarcăm încă o constantă fizică adimensională care determină dimensiunea spațiului fizic, pe care o notăm cu N. Este obișnuit pentru noi ca evenimentele fizice să aibă loc în spațiul tridimensional, adică N = 3, deși dezvoltarea fizica a dus în repetate rânduri la apariția unor concepte care nu se încadrează în „bunul simț”, ci reflectând procesele reale care există în natură.

Astfel, constantele fundamentale dimensionale „clasice” joacă un rol decisiv în structura teoriilor fizice corespunzătoare. Din ele se formează constantele fundamentale adimensionale ale teoriei unificate a interacțiunilor - Aceste constante și altele, precum și dimensiunea spațiului N, determină structura Universului și proprietățile sale.