Основни константи на Вселената. Нови фундаментални физически константи Внедряване на ядрени методи

Константа на взаимодействие

Материал от свободната руска енциклопедия "Традиция"

Константа на взаимодействие(понякога терминът константа на свързване) е параметър в теорията на полето, който определя относителната сила на всяко взаимодействие между частици или полета. В квантовата теория на полето константите на взаимодействие са свързани с върхове в съответните диаграми на взаимодействие. Като константи на взаимодействие се използват както безразмерни параметри, така и свързани величини, характеризиращи взаимодействията и имащи размери. Примери са безразмерното електромагнитно взаимодействие и електрическото, измерено в C.

Сравнение на взаимодействията

Ако изберем обект, който участва и в четирите фундаментални взаимодействия, тогава стойностите на безразмерните константи на взаимодействие на този обект, намерени по общото правило, ще покажат относителната сила на тези взаимодействия. Като такъв обект най-често се използва протонът на ниво елементарни частици. Основната енергия за сравняване на взаимодействията е електромагнитната енергия на фотона, по дефиниция равна на:

където - , - скоростта на светлината, - дължината на вълната на фотона. Изборът на фотонна енергия не е случаен, тъй като съвременната наука се основава на представяне на вълни, базирано на електромагнитни вълни. С тяхна помощ се правят всички основни измервания - дължина, време и включително енергия.

Гравитационно взаимодействие

Слабо взаимодействие

Енергията, свързана със слабото взаимодействие, може да бъде представена в следната форма:

където е ефективният заряд на слабото взаимодействие, е масата на виртуалните частици, считани за носител на слабото взаимодействие (W- и Z-бозони).

Квадратът на ефективния заряд на слабото взаимодействие за протон се изразява чрез константата на Ферми J m 3 и масата на протона:

При достатъчно малки разстояния може да се пренебрегне експонентата в енергията на слабото взаимодействие. В този случай безразмерната константа на слабо взаимодействие се дефинира, както следва:

Електромагнитно взаимодействие

Електромагнитното взаимодействие на два неподвижни протона се описва с електростатична енергия:

където - , - .

Съотношението на тази енергия към енергията на фотона определя константата на електромагнитното взаимодействие, известна като:

Силно взаимодействие

На нивото на адроните в Стандартния модел на физиката на елементарните частици се разглежда като "остатъчно" взаимодействие на адроните. Предполага се, че глуоните, като носители на силното взаимодействие, генерират виртуални мезони в пространството между адроните. В модела пион-нуклон на Юкава ядрените сили между нуклоните се обясняват като резултат от обмена на виртуални пиони, а енергията на взаимодействие има следната форма:

където е ефективният заряд на псевдоскаларното взаимодействие пион-нуклон, е масата на пиона.

Безразмерната константа на силно взаимодействие е:

Константи в квантовата теория на полето

Ефектите на взаимодействие в теорията на полето често се дефинират с помощта на теорията на смущенията, в която функциите в уравненията се разширяват в степени на константата на взаимодействието. Обикновено за всички взаимодействия, с изключение на силното, константата на взаимодействие е много по-малка от единица. Това прави приложението на теорията на смущенията ефективно, тъй като приносът от по-високите членове на разширенията бързо намалява и тяхното изчисляване става ненужно. В случай на силно взаимодействие теорията на смущенията става неподходяща и са необходими други методи за изчисление.

Едно от предсказанията на квантовата теория на полето е така нареченият ефект на „плаващи константи“, според който константите на взаимодействие се променят бавно с увеличаване на енергията, предавана по време на взаимодействието на частиците. Така константата на електромагнитното взаимодействие се увеличава, а константата на силното взаимодействие намалява с увеличаване на енергията. Кварките в квантовата хромодинамика имат собствена силна константа на взаимодействие:

където е ефективният цветен заряд на кварк, който излъчва виртуални глуони, за да взаимодейства с друг кварк. С намаляване на разстоянието между кварките, постигнато при сблъсъци на частици с висока енергия, се очаква логаритмично намаляване и отслабване на силното взаимодействие (ефектът на асимптотичната свобода на кварките). В скалата на пренесената енергия от порядъка на масата-енергията на Z-бозона (91,19 GeV) се установява, че В същата енергийна скала константата на електромагнитното взаимодействие нараства до стойност от порядъка на 1/127 вместо ≈1/137 при ниски енергии. Предполага се, че при още по-високи енергии, около 10 18 GeV, стойностите на константите на гравитационното, слабото, електромагнитното и силното взаимодействие на частиците ще се приближат и дори могат да станат приблизително равни една на друга.

Константи в други теории

Теория на струните

В теорията на струните константите на взаимодействие не се считат за константи, а са динамични по своята същност. По-специално, същата теория при ниски енергии изглежда, че струните се движат в десет измерения, а при високи енергии - в единадесет. Промяната в броя на измерванията е придружена от промяна в константите на взаимодействие.

силна гравитация

Заедно с и електромагнитните сили се считат за основни компоненти на силното взаимодействие в . В този модел вместо да се разглежда взаимодействието на кварки и глуони, се вземат предвид само две фундаментални полета – гравитационно и електромагнитно, които действат в заредената и масирана материя на елементарните частици, както и в пространството между тях. В същото време се приема, че кварките и глуоните не са реални частици, а квазичастици, отразяващи квантовите свойства и симетрии, присъщи на адронната материя. Този подход драстично намалява рекордния за физическите теории брой действително необосновани, но постулирани свободни параметри в стандартния модел на физиката на елементарните частици, в който има поне 19 такива параметъра.

Друго следствие е, че слабите и силните взаимодействия не се считат за независими взаимодействия на полето. Силното взаимодействие се свежда до комбинации от гравитационни и електромагнитни сили, при които ефектите на забавяне на взаимодействието (диполни и орбитални торсионни полета и магнитни сили) играят важна роля. Съответно, константата на силното взаимодействие се определя по аналогия с константата на гравитационно взаимодействие:

Полезно е да се разбере кои константи са основни като цяло. Вземете например скоростта на светлината. Фактът, че е краен, е фундаментален, а не неговото значение. В смисъл, че сме определили разстоянието и времето така, че да е така. В други единици би било различно.

Какво тогава е фундаментално? Безразмерни съотношения и характерни сили на взаимодействие, които се описват с безразмерни константи на взаимодействие. Грубо казано, константите на взаимодействие характеризират вероятността за някакъв процес. Например, електромагнитната константа характеризира с каква вероятност електронът ще се разпръсне върху протон.

Нека видим как логически можем да изградим размерни величини. Можете да въведете съотношението на масите на протона и електрона и конкретна константа на електромагнитното взаимодействие. Атомите ще се появят в нашата вселена. Можете да вземете специфичен атомен преход и да вземете честотата на излъчваната светлина и да измерите всичко в периода на светлинните трептения. Ето единицата за време. Светлината през това време ще лети на известно разстояние, така че получаваме единица за разстояние. Фотон с такава честота има някакъв вид енергия, оказа се единица енергия. И тогава силата на електромагнитното взаимодействие е такава, че размерът на атома е толкова голям в нашите нови единици. Измерваме разстоянието като съотношението на времето на полет на светлината през атома към периода на трептене. Тази стойност зависи само от силата на взаимодействието. Ако сега дефинираме скоростта на светлината като съотношението на размера на атома към периода на трептене, получаваме число, но то не е основно. Втората и метърът са характерни за нас скали за време и разстояние. В тях измерваме скоростта на светлината, но нейната конкретна стойност не носи физически смисъл.

Мисловен експеримент, нека има друга вселена, където метърът е точно два пъти по-голям от нашия, но всички основни константи и отношения са еднакви. Тогава взаимодействията ще отнеме два пъти повече време, за да се разпространят, а човешките същества ще възприемат секунда с половината от скоростта. Разбира се, че не го усещат. Когато измерват скоростта на светлината, те ще получат същата стойност като нас. Защото те измерват в характерните си метри и секунди.

Следователно физиците не придават фундаментално значение на факта, че скоростта на светлината е 300 000 km/s. И константата на електромагнитното взаимодействие, така наречената константа на фината структура (тя е приблизително 1/137).

Освен това, разбира се, константите на фундаменталните взаимодействия (електромагнетизъм, силни и слаби взаимодействия, гравитация), свързани със съответните процеси, зависят от енергиите на тези процеси. Електромагнитното взаимодействие в енергийната скала от порядъка на масата на електроните е едно, а в скалата на порядъка на масата на Хигс бозона е различно, по-високо. Силата на електромагнитното взаимодействие нараства с енергията. Но как се променят константите на взаимодействие с енергията може да се изчисли, като се знае какъв вид частици имаме и какви са техните съотношения на свойства.

Следователно, за да опишем напълно фундаменталните взаимодействия на нашето ниво на разбиране, е достатъчно да знаем какъв набор от частици имаме, масовите съотношения на елементарните частици, константите на взаимодействие в една скала, например в скалата на масата на електрона и съотношението на силите, с които всяка конкретна частица взаимодейства с това взаимодействие, в електромагнитния случай това съответства на съотношението на зарядите (зарядът на протона е равен на заряда на електрона, тъй като силата на взаимодействие на електрон с електрон съвпада със силата на взаимодействие на електрон с протон, ако беше два пъти по-голяма, тогава силата би била два пъти по-голяма, силата се измерва, повтарям, в безразмерни вероятности). Въпросът се свежда до това защо са.

Тук всичко не е ясно. Някои учени смятат, че ще се появи по-фундаментална теория, от която ще се проследи как са свързани масите, зарядите и т.н. Отговорът на последното в известен смисъл се дава от велики обединени теории. Някои хора вярват, че действа антропният принцип. Тоест, ако фундаменталните константи бяха различни, ние просто нямаше да съществуваме в такава вселена.

"Златен грив" - константа, по дефиниция! Автор A. A. Korneev 22 май 2007 г

© Алексей А. Корнеев

"Златен грив" - константа, по дефиниция!

Както се съобщава на сайта на "Академията на тринитаризма" относно публикуваната там статия на автора, той е бил представен с обща формула за идентифицираната зависимост (1) и нова константа "Л» :

(1: Nn) x Fм = Л(1)

... В резултат на това беше определена и изчислена проста фракция, съответстваща на обратната стойност на параметъра "L", който беше предложен да се нарича константа "златен праг"

"L" = 1/12,984705 = 1/13 (с точност не по-лоша от 1,52%).

В рецензиите и коментарите (към посочената статия) беше изразено съмнение, че извличането от формула (1)

номер "Л» е КОНСТАНТА.

Тази статия съдържа отговора на изразените съмнения.

Във формулата (1) имаме работа с уравнение, където неговите параметри са дефинирани, както следва:

н - всяко от числата от редицата на Фибоначи (с изключение на първото).

н- поредният номер на число от редицата на Фибоначи, започвайки от първото число.

м- числов индикатор за степента на индекса (пределното) число на редицата на Фибоначи.

Л - определена постоянна стойност във всички изчисления по формула (1):Л =1/13;

Ф– индекс (лимит) номер на редицата на Фибоначи (Ф = 1.61803369…)

Във формула (1), променливата (променяща се в хода на изчисленията!) Параметрите са стойностите на конкретни количества " н» И "м».

Следователно е абсолютно легитимно формула (1) да се запише в най-общ вид, както следва:

1: е(н) = е(м) * Л (2)

Откъде следва, че:е(м) : е(н) = Л = Конст.

Е винаги!

Изследователската работа, а именно изчислените данни от таблица 1, показа, че за формула (1) числените стойности на променливите параметри се оказаха взаимосвързани според правилото: м = (н – 7 ).

И това числово съотношение на параметрите "м» И "н» също се запазва непроменен.

Като се вземе предвид последното (или без да се вземе предвид тази връзка на параметрите "м» И "н» ), но уравнения (1) и (2) са (по дефиниция) алгебрични уравнения.

В тези уравнения, според всички съществуващи правила на математиката (вижте по-долу копие на стр. 272 ​​от Наръчника по математика), всички компоненти на такива уравнения имат свои собствени недвусмислени имена (интерпретации на понятия).

По-долу, на фиг.1 е копие на страницата от "Наръчник по математика ».

Фиг. 1

Москва. май 2007г

Относно константите (за справка)

/цитати от различни източници/

Математически константи

<….Математическая константа - величина, значение которой не меняется; в этом она противоположна переменной. В отличие от физических констант, математические константы определены независимо от каких бы то ни было физических измерений…>.

<….Константа - величина, которая характеризуется постоянным значением, например 12 - числовая константа; "кот" - строковая константа.Изменить значение константы невозможно. Переменная - величина, значение которой может меняться, поэтому переменная всегда имеет имя (Для константы роль имени играет е значение). …>.

<….Данное свойство играет важную роль в решении дифференциальных уравнений. Так, например, единственным решением дифференциального уравнения f"(x) = f(x) является функция f(x) = c*exp(x)., где c - произвольная константа. …>.

<….Важную роль в математике и в других областях играют математические константы. В обычных языках программирования константы задаются с некоторой точностью, достаточной для решения задач численными методами.

Този подход не е приложим за символната математика. Например, за да посочите математическа идентичност, така че естественият логаритъм на константата на Ойлер e да е точно 1, константата трябва да има абсолютна точност. …>.

<….Математическую константу e иногда называют число Эйлера, а в большинстве случаев неперово число в соответствии с историей рождения константы. …>.

<….e - математическая константа, основание натурального логарифма, иррациональное и трансцендентное число. e = 2,718281828459045… Иногда число e называют числом Эйлера или неперовым числом. Играет важную роль в дифференциальном и интегральном исчислении. …>.

Световни константи

<….Мировые математические константы – это Мировые … факторы объектного многообразия. Речь пойдет об удивительной константе, применяемой в математике, но почему константе придается такая значимость, это обычно оказывается за пределами понимания обывателя. …>.

<….В этом смысле математические константы – только структурообразующие факторы, но не системообразующие. Их действие всегда локально. …>.

Физически константи

<….Арнольд Зоммерфельд, добавивший эллиптические орбиты электронов к круговым орбитам Бора (атом Бора-Зоммерфельда); автор "формулы тонкой структуры", экспериментальное подтверждение которой, по словам Макса Борна, явилось "блестящим доказательством как принципа относительности Эйнштейна, так и Планковской теории квант". …>.

<….В этой формуле появляется "таинственное число 137" (Макс Борн) - безразмерная константа, которую Зоммерфельд назвал постоянной тонкой структуры, связывает между собой три основни физически константи: скоростта на светлината, константата на Планк и зарядът на електрона.

Стойността на константата на фината структура е една от основите на антропния принцип във физиката и философията: Вселената е такава, че можем да съществуваме и да я изучаваме. Числото A, заедно с константата на фината структура ±, дава възможност да се получат важни безразмерни фундаментални константи, които не могат да бъдат получени по друг начин. …>.

<….Показано, что константы А и ± являются константами одного класса. Постоянная тонкой структуры была введена в физику Зоммерфельдом в 1916 году при создании теории тонкой структуры энергии атома. Первоначально постоянная тонкой структуры (±) была определена как отношение скорости электрона на низшей боровской орбите к скорости света. С развитием квантовой теории стало понятно, что такое упрощенное представление не объясняет ее истинный смысл. До сих пор природа происхождения этой константы не раскрыта. …>.

<….Кроме тонкой структуры энергии атома эта константа проявляется в следующей комбинации фундаментальных физических констант: ± = ј0ce2/2h. По поводу того, что константа (±) появляется в соотношении, связывающем постоянную Планка, заряд и скорость света Дирак писал : "неизвестно почему это выражение имеет именно такое, а не иное значение. Физики выдвигали по этому поводу различные идеи, однако общепринятого объяснения до сих пор нет".…>.

<….Кроме постоянной тонкой структуры ± в физике существуют и другие безразмерные константы. К числу важных безразмерных констант относятся большие числа порядка 1039 -1044, которые часто встречаются в физических уравнениях. Считая совпадения больших чисел не случайными, П.Дирак сформулировал следующую гипотезу больших чисел : …>.

Медицински константи

<….Собственные исследования многоклеточного материала (1962-76), проводимые в организациях Минздрава Латвийской ССР, Академии Mедицинских Наук и Министерства Обороны СССР, совместно с доктором Борисом Каплан и профессором Исааком Маерович, привели к открытию признаков раннего распознавания опухоли, известных как "Константы Каплана". Являясь вероятностной мерой, эти признаки отражают ранние состояния озлокачествления. …>.

<….Сами по себе эти два признака были давно известны и раздельно хорошо изучены многочисленными исследователями, но нам удалось установить специфическое их сочетание на константах Каплана, как на аргументах, обладающее разделительными, по состоянию клетки, свойствами. Это стало крупным достижением онкологической науки, защищенным множеством патентов. …>.

НЕ КОНСТАНТИ

<….Число «g» /ускорение силы тяжести/ …. Оно не является математической константой.

Това е произволно число, което зависи от много фактори, например от факта, че 1/40000 от меридиана е взета за метър. Ще отнеме една дъгова минута - ще има различен брой ускорение на гравитацията.

Освен това това число също е различно (в различни части на земното кълбо или друга планета), тоест не е константа...>.

Колко невъобразимо странен би бил светът, ако физическите константи можеха да се променят! Например, така наречената константа на фината структура е приблизително равна на 1/137. Ако имаше различна стойност, тогава може би нямаше да има разлика между материя и енергия.

Има неща, които никога не се променят. Учените ги наричат ​​физически константи или световни константи. Смята се, че скоростта на светлината $c$, гравитационната константа $G$, масата на електрона $m_e$ и някои други величини винаги и навсякъде остават непроменени. Те формират основата, върху която се основават физическите теории и определят структурата на Вселената.

Физиците работят усилено, за да измерват световните константи с все по-голяма точност, но никой все още не е успял да обясни по никакъв начин защо техните стойности са такива, каквито са. В системата SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( - 31) $ kg - напълно несвързани количества, които имат само едно общо свойство: ако се променят поне малко и съществуването на сложни атомни структури, включително живи организми, ще бъде под голям въпрос. Желанието да се обосноват стойностите на константите се превърна в един от стимулите за развитието на единна теория, която напълно описва всички съществуващи явления. С негова помощ учените се надяваха да покажат, че всяка световна константа може да има само една възможна стойност, поради вътрешните механизми, които определят измамния произвол на природата.

Най-добрият кандидат за титлата на единна теория е М-теорията (разновидност на теорията на струните), която може да се счита за последователна, ако Вселената има не четири пространствено-времеви измерения, а единадесет. Следователно константите, които наблюдаваме, може да не са наистина фундаментални. Истинските константи съществуват в пълно многоизмерно пространство и ние виждаме само техните триизмерни „силуети“.

ПРЕГЛЕД: СВЕТОВНИ КОНСТАНТИ

1. В много физически уравнения има количества, които се считат за постоянни навсякъде – в пространството и времето.

2. Напоследък учените се съмняват в постоянството на световните константи. Сравнявайки резултатите от наблюдения на квазари и лабораторни измервания, те стигат до заключението, че химичните елементи в далечното минало са поглъщали светлината по различен начин, отколкото днес. Разликата може да се обясни с промяна на няколко милионни от константата на фината структура.

3. Потвърждението на дори такава малка промяна ще бъде истинска революция в науката. Наблюдаваните константи може да се окажат само „силуети“ на истинските константи, които съществуват в многомерното пространство-време.

Междувременно физиците стигнаха до заключението, че стойностите на много константи може да са резултат от случайни събития и взаимодействия между елементарни частици в ранните етапи от историята на Вселената. Теорията на струните позволява съществуването на огромен брой ($10^(500)$) от светове с различни самопоследователни набори от закони и константи ( виж Landscape of String Theory, In the World of Science, No. 12, 2004.). Засега учените нямат представа защо е избрана нашата комбинация. Може би в резултат на по-нататъшни изследвания броят на логически възможните светове ще намалее до един, но е възможно нашата Вселена да е само малка част от мултивселената, в която се прилагат различни решения на уравненията на единна теория, и наблюдаваме само един от вариантите на природните закони ( виж Паралелни вселени, В света на науката, № 8, 2003 гВ този случай за много световни константи няма обяснение, освен че те представляват рядка комбинация, която позволява развитието на съзнанието. Може би Вселената, която наблюдаваме, се е превърнала в един от многото изолирани оазиси, заобиколени от безкрайно безжизнено космическо пространство – сюрреалистично място, където доминират природните сили, напълно чужди за нас, а частици като електрони и структури като въглеродни атоми и молекули на ДНК са просто невъзможни. Опитът да стигне до там би бил фатален.

Теорията на струните също е разработена, за да обясни очевидния произвол на физическите константи, така че основните й уравнения съдържат само няколко произволни параметъра. Но досега това не обяснява наблюдаваните стойности на константите.

Надежден владетел

Всъщност използването на думата "постоянно" не е напълно легитимно. Нашите константи могат да се променят във времето и пространството. Ако допълнителните пространствени измерения се променят по размер, константите в нашия триизмерен свят ще се променят с тях. И ако погледнем достатъчно далеч в космоса, бихме могли да видим области, където константите приемат различни стойности. От 1930 г учените спекулират, че константите може да не са постоянни. Теорията на струните придава на тази идея теоретична правдоподобност и прави търсенето на непостоянство още по-важно.

Първият проблем е, че самата лабораторна настройка може да бъде чувствителна към промените в константите. Размерът на всички атоми може да се увеличи, но ако линийката, използвана за измервания, също стане по-дълга, нищо не може да се каже за промяната в размера на атомите. Експериментаторите обикновено приемат, че стандартите за измерване (линийки, тежести, часовници) са непроменени, но това не може да бъде постигнато при проверка на константите. Изследователите трябва да обърнат внимание на безразмерните константи - просто числа, които не зависят от системата от мерни единици, например съотношението на масата на протона към масата на електрона.

Променя ли се вътрешната структура на Вселената?

Особен интерес представлява величината $\alpha = e^2/2\epsilon_0 hc$, която комбинира скоростта на светлината $c$, електрическия заряд на електрона $e$, константата на Планк $h$ и т.н. наречена вакуумна диелектрична константа $\epsilon_0$. Нарича се константа на фината структура. За първи път е въведен през 1916 г. от Арнолд Сомерфелд, който е един от първите, които се опитват да прилагат квантовата механика към електромагнетизма: $\alpha$ свързва релативистичните (c) и квантовите (h) характеристики на електромагнитните (e) взаимодействия, включващи заредени частици в празно пространство ($\epsilon_0$). Измерванията показват, че тази стойност е 1/137,03599976 (приблизително 1/137).

Ако $\alpha $ имаше различно значение, тогава целият свят щеше да се промени. Ако беше по-малка, плътността на твърдо вещество, съставено от атоми, щеше да намалее (пропорционално на $\alpha^3 $), молекулярните връзки биха се разкъсали при по-ниски температури ($\alpha^2 $) и броят на стабилните елементи в периодичната таблица би могла да се увеличи ($1/\alpha $). Ако $\alpha $ се окаже твърде голям, малките атомни ядра не биха могли да съществуват, тъй като ядрените сили, които ги свързват, не биха могли да предотвратят взаимното отблъскване на протоните. За $\alpha >0,1 $ въглеродът не може да съществува.

Ядрените реакции в звездите са особено чувствителни към $\alpha $. За да се случи ядрен синтез, гравитацията на звездата трябва да създаде достатъчно висока температура, за да накара ядрата да се приближат едно към друго, въпреки тенденцията им да се отблъскват. Ако $\alpha $ беше по-голямо от 0,1, тогава синтезът би бил невъзможен (освен ако, разбира се, други параметри, като съотношението на масите на електрон и протон, не останат същите). Промяна в $\alpha$ само с 4% ще повлияе на енергийните нива в ядрото на въглерода до такава степен, че появата му в звездите просто ще престане.

Внедряване на ядрени техники

Вторият, по-сериозен, експериментален проблем е, че измерването на промените в константите изисква високоточно оборудване, което трябва да бъде изключително стабилно. Дори и с атомни часовници, отклонението на константата на фината структура може да бъде проследено само за няколко години. Ако $\alpha $ се промени с повече от 4 $\cdot$ $10^(–15)$ за три години, най-точният часовник ще може да открие това. Все още обаче нищо подобно не е записано. Изглежда, защо не потвърждение на постоянството? Но три години за космоса са миг. Бавните, но значителни промени в историята на Вселената може да останат незабелязани.

ЛЕКА И ПОСТОЯННА ФИНА СТРУКТУРА

За щастие, физиците са намерили други начини да проверят. През 1970-те години Учени от Френската комисия за атомна енергия забелязаха някои особености в изотопния състав на рудата от урановата мина в Окло в Габон (Западна Африка): тя приличаше на отпадъци от ядрен реактор. Очевидно преди около 2 милиарда години в Окло се е образувал естествен ядрен реактор ( виж Божествения реактор, В света на науката, № 1, 2004).

През 1976 г. Александър Шляхтер от Ленинградския институт по ядрена физика отбелязва, че работата на естествените реактори е критично зависима от точната енергия на специфичното състояние на самариевото ядро, което улавя неутрони. А самата енергия е силно свързана със стойността на $\alpha $. Така че, ако константата на фината структура беше малко по-различна, не би могла да възникне верижна реакция. Но това наистина се случи, което означава, че през последните 2 милиарда години константата не се е променила с повече от 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Физиците продължават да спорят за точните количествени резултати поради неизбежната несигурност относно условията в естествен реактор.)

През 1962 г. П. Джеймс Е. Пийбълс и Робърт Дике от Принстънския университет са първите, които прилагат подобен анализ към древните метеорити: относителното изобилие от изотопи в резултат на техния радиоактивен разпад зависи от $\alpha $. Най-чувствителното ограничение е свързано с бета разпад при превръщането на рений в осмий. Според скорошна работа на Кийт Олив от Университета на Минесота и Максим Поспелов от Университета на Виктория в Британска Колумбия, $\alpha$ се различава от текущата си стойност с 2 $\cdot$ $10^ по времето, когато се образуват метеоритите. (– 6)$. Този резултат е по-малко точен от данните на Окло, но се връща по-назад във времето, до произхода на Слънчевата система преди 4,6 милиарда години.

За да изследват възможни промени за още по-дълги периоди от време, изследователите трябва да погледнат към небето. Светлината от далечни астрономически обекти отива в нашите телескопи в продължение на милиарди години и носи отпечатъка на законите и световните константи от онези времена, когато току-що е започнала своето пътуване и взаимодействие с материята.

Спектрални линии

Астрономите се включиха в историята на константите малко след откриването на квазари през 1965 г., които току-що бяха открити и идентифицирани като източници на ярка светлина, разположени на големи разстояния от Земята. Тъй като пътят на светлината от квазара до нас е толкова дълъг, той неизбежно пресича газообразните квартали на млади галактики. Газът абсорбира квазарна светлина при определени честоти, отпечатвайки баркод от тесни линии в неговия спектър (виж карето по-долу).

ТЪРСЕНЕ НА ПРОМЕНИ В КВАЗАРНОТО ИЗЛЪЧЕНИЕ

Когато газът поглъща светлината, електроните, съдържащи се в атомите, скачат от по-ниски енергийни нива към по-високи. Енергийните нива се определят от това колко силно атомното ядро ​​задържа електроните, което зависи от силата на електромагнитното взаимодействие между тях и следователно от константата на фината структура. Ако е било различно по времето, когато светлината е била погълната, или в определен регион на Вселената, където се е случило, тогава енергията, необходима за преместване на електрон на ново ниво, и дължините на вълните на преходите, наблюдавани в спектрите, трябва се различават от наблюдаваните днес в лабораторни експерименти. Естеството на промяната в дължините на вълната зависи критично от разпределението на електроните в атомните орбити. За дадена промяна в $\alpha$ някои дължини на вълната намаляват, докато други се увеличават. Сложният модел на ефекти е трудно да се обърка с грешките при калибриране на данните, което прави подобен експеримент изключително полезен.

Когато започнахме работа преди седем години, се сблъскахме с два проблема. Първо, дължините на вълните на много спектрални линии не са измерени с достатъчна точност. Колкото и да е странно, учените знаеха много повече за спектрите на квазарите на милиарди светлинни години от нас, отколкото за спектрите на земните проби. Имахме нужда от високоточни лабораторни измервания, за да сравним спектрите на квазара с тях, и ние убедихме експериментаторите да направят съответните измервания. Те бяха извършени от Ан Торн и Джулиет Пикеринг от Imperial College London, а по-късно от екипи, ръководени от Свенерик Йохансон от обсерваторията Лунд в Швеция, и от Улф Гризман и Райнер Клинг (Райнер Клинг) от Националния институт по стандарти и технологии в Мериленд.

Вторият проблем беше, че предишните наблюдатели са използвали така наречените алкални дублети, двойки абсорбционни линии, които се появяват в атомни газове на въглерод или силиций. Те сравняват интервалите между тези линии в спектрите на квазара с лабораторни измервания. Този метод обаче не позволи да се използва един специфичен феномен: вариациите в $\alpha $ причиняват не само промяна в интервала между енергийните нива на атом спрямо нивото с най-ниска енергия (основно състояние), но също така промяна в позицията на самото основно състояние. Всъщност вторият ефект е дори по-силен от първия. В резултат на това точността на наблюденията беше само 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

През 1999 г. един от авторите на статията (Web) и Виктор В. Фламбаум от Университета на Нов Южен Уелс в Австралия разработиха техника, която да вземе предвид и двата ефекта. В резултат на това чувствителността се увеличава 10 пъти. Освен това стана възможно да се сравняват различни видове атоми (например магнезий и желязо) и да се извършват допълнителни кръстосани проверки. Трябваше да се извършат сложни изчисления, за да се установи как точно се различават наблюдаваните дължини на вълната при различните типове атоми. Въоръжени с най-съвременни телескопи и сензори, ние решихме да тестваме устойчивостта на $\alpha$ с безпрецедентна точност, използвайки нов метод от много мултиплети.

Ревизия на възгледите

Когато започнахме експериментите, ние просто искахме да установим с по-голяма точност, че стойността на константата на фината структура в древни времена е била същата като днес. За наша изненада резултатите, получени през 1999 г., показват малки, но статистически значими разлики, които впоследствие бяха потвърдени. Използвайки данни от 128 квазарни абсорбционни линии, ние регистрирахме увеличение на $\alpha$ с 6 $\cdot$ $10^(–6)$ през последните 6–12 милиарда години.

Резултатите от измерванията на константата на фината структура не ни позволяват да направим окончателни заключения. Някои от тях показват, че някога е бил по-малък от сега, а други не са. Може би α се е променило в далечното минало, но сега е станало постоянно. (Кутията представляват диапазона от данни.)

Смелите твърдения изискват солидни доказателства, така че първата ни стъпка беше внимателно да прегледаме нашите методи за събиране и анализ на данни. Грешките в измерването могат да бъдат разделени на два вида: систематични и случайни. Със случайни неточности всичко е просто. При всяко отделно измерване те приемат различни стойности, които при голям брой измервания се осредняват и клонят към нула. Систематичните грешки, които не са осреднени, са по-трудни за справяне. В астрономията такива несигурности се срещат на всяка крачка. В лабораторните експерименти инструментите могат да бъдат настроени, за да се минимизират грешките, но астрономите не могат да „настроят“ Вселената и трябва да признаят, че всички техни методи за събиране на данни съдържат присъщи пристрастия. Например, наблюдаваното пространствено разпределение на галактиките е значително отклонено към ярки галактики, тъй като те са по-лесни за наблюдение. Идентифицирането и неутрализирането на такива промени е постоянно предизвикателство за наблюдателите.

Първо, обърнахме внимание на възможното изкривяване на скалата на дължината на вълната, спрямо която бяха измерени спектралните линии на квазара. Може да възникне например по време на обработката на "суровите" резултати от наблюдението на квазари в калибриран спектър. Въпреки че простото линейно разтягане или свиване на скалата на дължината на вълната не може да имитира точно промяната в $\alpha$, дори приблизителното сходство би било достатъчно, за да обясни резултатите. Постепенно елиминирахме прости грешки, свързани с изкривявания, като заместихме данните за калибриране вместо резултатите от наблюдението на квазара.

Повече от две години ние изследвахме различни причини за пристрастия, за да гарантираме, че тяхното въздействие е незначително. Открихме само един потенциален източник на сериозни грешки. Говорим за линии за усвояване на магнезий. Всеки от трите му стабилни изотопа поглъща светлина с различни дължини на вълната, които са много близки един до друг и се виждат в спектрите на квазарите като една линия. Въз основа на лабораторни измервания на относителното изобилие от изотопи, изследователите преценяват приноса на всеки от тях. Тяхното разпределение в младата Вселена би могло да бъде значително различно от днешното, ако звездите, които излъчват магнезий, бяха средно по-тежки от днешните си колеги. Подобни разлики биха могли да имитират промяна в $\alpha$. Но резултатите от проучване, публикувано тази година, показват, че наблюдаваните факти не са толкова лесно обяснени. Йеше Фенър и Брад К. Гибсън от Технологичния университет Суинбърн в Австралия и Майкъл Т. Мърфи от университета в Кеймбридж заключиха, че изотопното изобилие, необходимо за имитиране на промяната на $\alpha$, също би довело до прекомерен синтез на азот в началото Вселена, което е напълно несъвместимо с наблюденията. Така че трябва да живеем с възможността $\alpha$ да се е променила.

ПОНЯКОГА СЕ ПРОМЕНЯ, ПОНЯКОГА НЕ

Според хипотезата, изложена от авторите на статията, в някои периоди от космическата история константата на фината структура остава непроменена, а в други се увеличава. Експерименталните данни (виж предишната вставка) са в съответствие с това предположение.

Научната общност веднага оцени значимостта на нашите резултати. Изследователите на спектрите на квазарите по целия свят веднага се заеха с измерванията. През 2003 г. изследователските екипи на Сергей Левшаков (Сергей Левшаков) от Института по физика и технологии в Санкт Петербург. Йофе и Ралф Куаст от Хамбургския университет са изследвали три нови квазарни системи. Миналата година Хум Чанд и Рагунатан Сриананд от Междууниверситетския център по астрономия и астрофизика в Индия, Патрик Петиджан от Института по астрофизика и Бастиен Арасил от LERMA в Париж анализираха още 23 случая. Нито една от групите не намери промени в $\alpha$. Чанд твърди, че всяка промяна между 6 и 10 милиарда години трябва да бъде по-малка от една милионна.

Защо подобни методологии, използвани за анализ на различни изходни данни, доведоха до такова драстично несъответствие? Отговорът все още не е известен. Резултатите, получени от тези изследователи, са с отлично качество, но размерът на техните проби и възрастта на анализираната радиация са значително по-малки от нашите. В допълнение, Чанд използва опростена версия на метода на мултиплета и не оцени напълно всички експериментални и систематични грешки.

Известният астрофизик Джон Бакол от Принстън разкритикува самия метод за мултиплет, но проблемите, които той посочва, са в категорията на случайните грешки, които се свеждат до минимум, когато се използват големи проби. Бакол и Джефри Нюман от Националната лаборатория. Лорънс от Бъркли разглежда емисионните линии, а не абсорбционните линии. Техният подход е много по-малко точен, въпреки че може да се окаже полезен в бъдеще.

Законодателна реформа

Ако нашите резултати са верни, последствията ще бъдат огромни. Доскоро всички опити да се прецени какво би се случило с Вселената, ако константата на фината структура се промени, бяха незадоволителни. Те не отидоха по-далеч от разглеждането на $\alpha$ като променлива в същите формули, които са получени при допускането, че е постоянна. Съгласете се, много съмнителен подход. Ако $\alpha $ се промени, тогава енергията и импулсът в свързаните с него ефекти трябва да се запазят, което трябва да повлияе на гравитационното поле във Вселената. През 1982 г. Джейкъб Д. Бекенщайн от Еврейския университет в Йерусалим за първи път обобщава законите на електромагнетизма в случай на непостоянни константи. В неговата теория $\alpha $ се разглежда като динамичен компонент на природата, т.е. като скаларно поле. Преди четири години един от нас (Бароу), заедно с Хавард Сандвик и Жоао Магейджо от Imperial College London, разшириха теорията на Бекенщайн, за да включи гравитацията.

Прогнозите на обобщената теория са примамливо прости. Тъй като електромагнетизмът в космически мащаб е много по-слаб от гравитацията, промените в $\alpha$ с няколко милионни нямат забележим ефект върху разширяването на Вселената. Но разширяването оказва значително влияние върху $\alpha $ поради несъответствието между енергиите на електрическото и магнитното поле. През първите десетки хиляди години от космическата история, радиацията доминираше над заредените частици и поддържаше баланс между електрически и магнитни полета. С разширяването на Вселената радиацията се разреди и материята стана доминиращ елемент на космоса. Електрическата и магнитната енергия се оказаха неравни и $\alpha $ започна да нараства пропорционално на логаритъма на времето. Преди приблизително 6 милиарда години тъмната енергия започва да доминира, ускорявайки разширяването, което затруднява разпространението на всички физически взаимодействия в свободното пространство. В резултат на това $\alpha$ отново стана почти постоянно.

Описаната картина е в съответствие с нашите наблюдения. Спектралните линии на квазара характеризират този период от космическата история, когато материята доминира и $\alpha$ се увеличава. Резултатите от лабораторните измервания и изследвания в Окло отговарят на периода, в който тъмната енергия доминира и $\alpha$ е постоянна. Особен интерес представлява по-нататъшното изследване на влиянието на промяната в $\alpha$ върху радиоактивните елементи в метеоритите, тъй като то ни позволява да изследваме прехода между двата посочени периода.

Алфата е само началото

Ако константата на фината структура се промени, тогава материалните обекти трябва да падат по различен начин. По едно време Галилей формулира принципа на слабата еквивалентност, според който телата във вакуум падат с еднаква скорост, независимо от какво са направени. Но промените в $\alpha$ трябва да генерират сила, действаща върху всички заредени частици. Колкото повече протони съдържа един атом в ядрото си, толкова по-силен ще го усети. Ако изводите, направени от анализа на резултатите от наблюденията на квазара, са верни, тогава ускорението на свободното падане на тела, направени от различни материали, трябва да се различава с около 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Това е 100 пъти по-малко от това, което може да се измери в лабораторията, но достатъчно голямо, за да покаже разлики в експерименти като STEP (Тестване на принципа на еквивалентност в космоса).

В предишни изследвания на $\alpha $ учените пренебрегнаха нехомогенността на Вселената. Както всички галактики, нашият Млечен път е средно около милион пъти по-плътен от космическото пространство, така че не се разширява заедно с Вселената. През 2003 г. Бароу и Дейвид Ф. Мота от Кеймбридж изчислиха, че $\alpha$ може да се държи по различен начин в галактиката, отколкото в по-празни области на космоса. Веднага щом една млада галактика се кондензира и, докато се отпуска, влезе в гравитационно равновесие, $\alpha$ става постоянна вътре в галактиката, но продължава да се променя отвън. По този начин експериментите на Земята, които тестват устойчивостта на $\alpha$, страдат от предубеден избор на условия. Все още предстои да разберем как това се отразява на проверката на принципа на слабата еквивалентност. Все още не са наблюдавани пространствени вариации на $\alpha$. Разчитайки на хомогенността на CMB, Бароу наскоро показа, че $\alpha $ не варира с повече от 1 $\cdot$ $10^(–8)$ между областите на небесната сфера, разположени на разстояние от $10^o$.

Остава да изчакаме появата на нови данни и нови изследвания, които най-накрая ще потвърдят или опровергаят хипотезата за промяната на $\alpha $. Изследователите са се фокусирали върху тази константа, просто защото ефектите, дължащи се на нейните вариации, са по-лесни за виждане. Но ако $\alpha$ е наистина променлив, тогава трябва да се променят и други константи. В този случай ще трябва да признаем, че вътрешните механизми на природата са много по-сложни, отколкото предполагахме.

ЗА АВТОРИТЕ:
Джон Бароу (John D. Barrow) , Джон Уеб (John K. Webb) се занимава с изучаване на физически константи през 1996 г. по време на съвместен отпуск в университета в Съсекс в Англия. Тогава Бароу изследва нови теоретични възможности за промяна на константите, а Уеб се занимава с наблюдения на квазари. И двамата автори пишат нехудожествени книги и често се появяват в телевизионни програми.

Нека разгледаме естеството на взаимодействието на елементарните частици. Частиците взаимодействат помежду си чрез обмен на кванти от силови полета и, както беше установено досега, в природата се наблюдават четири вида сили, четири основни взаимодействия:

силни (ядрени, свързващи протони и неутрони в ядрата на химичните елементи);

електромагнитни;

слаб (отговорен за относително бавния бета разпад)

гравитационен (водещ до закона на Нютон за всемирното притегляне). Гравитационните и електромагнитните взаимодействия се отнасят до сили, възникващи в гравитационните и електромагнитните полета. Естеството на гравитационното взаимодействие, установено количествено от Нютон, все още не е напълно определено и не е ясно как това действие се предава през пространството.

Ядрените сили, свързани със силни взаимодействия, действат на къси разстояния, около 10-15 m, в ядрата и осигуряват тяхната стабилност, като преобладават над отблъскващото действие на кулоновите сили на електромагнитните полета. Следователно ядрените сили са главно привличащи сили и действат между протони ( Р- Р) и неутрони ( П- П). Съществува и протон-неутронно взаимодействие ( стр- П). Тъй като тези частици са комбинирани в една група нуклони, това взаимодействие се нарича още нуклон-нуклон.

Слабите взаимодействия се проявяват в процесите на ядрен разпад или по-широко – в процесите на взаимодействие между електрон и неутрино (може да съществува и между всякакви двойки елементарни частици).

Както вече знаем, гравитационните и електромагнитните взаимодействия се променят с разстояние като 1/ r 2 и са далечни. Ядрените (силни) и слабите взаимодействия са с малък обсег. По отношение на величината основните взаимодействия са подредени в следния ред: силно (ядрено), електрическо, слабо, гравитационно.

Предполага се, че квантите - носители на тези четири силови полета са съответно: за силното взаимодействие - безмасови глуони (8); за електромагнитни - безмасови фотони (светлинни кванти със спин 1); за слабите - бозони (три частици са 90 пъти по-тежки от протон) и за гравитационните - безмасови гравитони (със спин 2).

Глуоните слепват и задържат кварките вътре в протоните и ядрата. Квантите на всички тези полета на взаимодействия имат целочислени спинове и следователно са бозони, за разлика от частиците - фермиони, които имат спин 1/2. Глуоните и кварките имат особен "заряд", който обикновено се нарича "цветен заряд" или просто "цвят". В квантовата хромодинамика само три цвята се считат за приемливи - червен, син и зелен. Глуоните и кварките все още не са наблюдавани директно и се смята, че цветните кварки „нямат право“ да излитат извън ядрата, точно както фононите – кванти на топлинни вибрации на кристалната решетка на атомите – съществуват само вътре в твърдите тела. Това свойство на свързване или задържане на кварки и глуони в адроните се нарича ограничение. Само бели ("безцветни") комбинации от кварки под формата на адрони - бариони и мезони, които възникват при ядрени реакции при сблъсъци на различни частици, имат право да излитат от ядрата и да бъдат наблюдавани. Любопитно е, че един-единствен кварк, който се появи в резултат на някои процеси, почти мигновено (в рамките на 10 -21 s) се "завършва" до адрон и вече не може да излети от адрона.

Четири фундаментални взаимодействия съответстват на четири световни константи. По-голямата част от физическите константи имат размери, които зависят от системата от референтни единици, например в SI (Международна система от единици - международна система) заряд д\u003d 1,6 10 -19 C, неговата маса t = 9,1 10 -31 кг. В различните референтни системи основните единици имат различни числови стойности и размери. Тази ситуация не е подходяща за науката, тъй като е по-удобно да има безразмерни константи, които не са свързани с условен избор на начални единици и референтни системи. Освен това фундаменталните константи не се извличат от физическите теории, а се определят експериментално. В този смисъл теоретичната физика не може да се счита за самодостатъчна и завършена за обяснение на свойствата на природата, докато проблемът, свързан със световните константи, не бъде разбран и обяснен.

Анализът на размерите на физическите константи води до разбирането, че те играят много важна роля в изграждането на отделни физически теории. Ако обаче се опитаме да създадем единно теоретично описание на всички физически процеси, т.е., с други думи, да формулираме единна научна картина на света от микро- до макро ниво, тогава основната определяща роля трябва да играе безразмерен, т.е "вярно" свят,константи. Това са константите на основните взаимодействия.

Константа на гравитационно взаимодействие:

Константа на електромагнитното взаимодействие:

.

Силна константа на взаимодействие:

,

където - цветен заряд (индекс "s" от английската дума "strong" - силен.)

Слаба константа на взаимодействие:

,

където g~ 1,4 10 -62 J m 3 - константа на Ферми.(Индексът "w" от английската дума "слаб" е слаб.) Имайте предвид, че размерната константа на гравитационното взаимодействие е получена от самия И. Нютон: г~ 6,67 10 -11 m 3 s 2 kg -1.

Известно е, че този закон за универсалното притегляне е недоказуем, тъй като е получен чрез обобщаване на експериментални факти. Освен това, абсолютната му валидност не може да бъде гарантирана, докато самият механизъм на гравитацията не стане ясен. Константата на електромагнитното взаимодействие е отговорна за трансформацията на заредените частици в същите частици, но с промяна в скоростта на тяхното движение и появата на допълнителна частица - фотон. Силни и слаби взаимодействия се проявяват в процесите на микрокосмоса, където са възможни взаимно преобразувания на частици. Следователно, силната константа на взаимодействие количествено определя взаимодействията на бариони. Константа за слабо взаимодействие е свързано с интензивността на трансформациите на елементарните частици с участието на неутрино и антинеутрино.

Смята се, че и четирите типа взаимодействие и техните константи определят настоящата структура и съществуване на Вселената. И така, гравитационен - ​​поддържа планетите в техните орбити и тела на Земята. Електромагнитно - задържа електроните в атомите и ги комбинира в молекули, от които сме съставени ние самите. Слаб - осигурява дългосрочно "изгаряне" на звездите и Слънцето, което осигурява енергия за протичането на всички жизнени процеси на Земята. Силното взаимодействие осигурява стабилното съществуване на повечето атомни ядра. Теоретичната физика показва, че промяната в числените стойности на тези или други константи води до разрушаване на стабилността на един или повече структурни елементи на Вселената. Например увеличаване на масата на електрон м 0 от ~ 0,5 MeV до 0,9 MeV ще наруши енергийния баланс в реакцията на образуване на деутерий в слънчевия цикъл и ще доведе до дестабилизиране на стабилните атоми и изотопи. Деутерият е водороден атом, съставен от протон и неутрон. Това е "тежък" водород с A = 2 (тритият има A = 3.) само 40% биха довели до факта, че деутерият няма да бъде стабилен. Увеличението ще направи бипротона стабилен, което ще доведе до изгаряне на водород в ранните етапи на еволюцията на Вселената. Постоянна варира в рамките на 1/170< < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение би довело до намаляване на живота на свободните неутрони. Това означава, че в ранния стадий на Вселената хелият не би се образувал и нямаше да има реакция на синтез на α частици по време на синтеза на въглерод 3α -> 12С. Тогава, вместо нашия въглерод, ще има водородна Вселена. Намаляване би довело до факта, че всички протони ще бъдат свързани в α частици (хелиева Вселена).

В съвременната естествена наука се приема, че световните константи са стабилни, започвайки от времето 10 -35 s от момента на раждането на Вселената и по този начин в нашата Вселена има, като че ли, много точна „напасване“ на числените стойности на световните константи, които определят необходимите стойности за съществуването на ядра, атоми, звезди и галактики. Произходът и съществуването на такава ситуация не е ясен. Подобно „настройване” (константите са точно това, което са!) създава условия за съществуване не само на сложни неорганични, органични, но и живи организми, включително и хора. П. Дирак изрази идеята за съвместна промяна във времето на фундаменталните константи. Като цяло можем да приемем, че разнообразието и единството на физическия свят, неговият ред и хармония, предвидимост и повторяемост се формират и контролират от система от малък брой фундаментални константи.