Grundkonstanten des Universums. Neue fundamentale physikalische Konstanten Einführung nuklearer Methoden

Interaktion konstant

Material aus der freien russischen Enzyklopädie „Tradition“

Interaktion konstant(manchmal der Begriff Kopplungskonstante) ist ein Parameter in der Feldtheorie, der die relative Stärke jeder Wechselwirkung zwischen Teilchen oder Feldern bestimmt. In der Quantenfeldtheorie werden Wechselwirkungskonstanten Knoten in den entsprechenden Wechselwirkungsdiagrammen zugeordnet. Als Wechselwirkungskonstanten werden sowohl dimensionslose Parameter als auch verwandte Größen verwendet, die Wechselwirkungen charakterisieren und Dimensionen aufweisen. Beispiele sind die dimensionslose elektromagnetische Wechselwirkung und die elektrische, gemessen in C.

Vergleich der Wechselwirkungen

Wenn wir ein Objekt auswählen, das an allen vier grundlegenden Wechselwirkungen teilnimmt, zeigen die Werte der dimensionslosen Wechselwirkungskonstanten dieses Objekts, die durch die allgemeine Regel gefunden werden, die relative Stärke dieser Wechselwirkungen. Das Proton wird als solches Objekt am häufigsten auf der Ebene der Elementarteilchen verwendet. Die Basisenergie für den Vergleich von Wechselwirkungen ist die elektromagnetische Energie eines Photons, per Definition gleich:

wobei - , - die Lichtgeschwindigkeit, - die Wellenlänge des Photons. Die Wahl der Photonenenergie ist nicht zufällig, da die moderne Wissenschaft auf einer Wellendarstellung basiert, die auf elektromagnetischen Wellen basiert. Mit ihrer Hilfe werden alle grundlegenden Messungen durchgeführt - Länge, Zeit und einschließlich Energie.

Gravitationswechselwirkung

Schwache Interaktion

Die mit der schwachen Wechselwirkung verbundene Energie kann in der folgenden Form dargestellt werden:

wo ist die effektive Ladung der schwachen Wechselwirkung, ist die Masse der virtuellen Teilchen, die als Träger der schwachen Wechselwirkung angesehen werden (W- und Z-Bosonen).

Das Quadrat der effektiven Ladung der schwachen Wechselwirkung für ein Proton wird durch die Fermi-Konstante J m 3 und die Masse des Protons ausgedrückt:

Bei ausreichend kleinen Abständen kann die Exponentialenergie der schwachen Wechselwirkung vernachlässigt werden. In diesem Fall ist die dimensionslose schwache Wechselwirkungskonstante wie folgt definiert:

Elektromagnetische Wechselwirkung

Die elektromagnetische Wechselwirkung zweier unbeweglicher Protonen wird durch elektrostatische Energie beschrieben:

wo - , - .

Das Verhältnis dieser Energie zur Photonenenergie bestimmt die elektromagnetische Wechselwirkungskonstante, bekannt als:

Starkes Zusammenspiel

Auf der Ebene der Hadronen im Standardmodell der Teilchenphysik wird es als eine "Rest" -Wechselwirkung betrachtet, die in Hadronen eintritt. Es wird angenommen, dass Gluonen als Träger der starken Wechselwirkung virtuelle Mesonen im Raum zwischen Hadronen erzeugen. Im Pion-Nukleon-Yukawa-Modell werden die Kernkräfte zwischen Nukleonen als Ergebnis des Austauschs virtueller Pionen erklärt, und die Wechselwirkungsenergie hat die folgende Form:

wo ist die effektive Ladung der pseudoskalaren Pion-Nukleon-Wechselwirkung, ist die Pion-Masse.

Die dimensionslose starke Wechselwirkungskonstante ist:

Konstanten in der Quantenfeldtheorie

Wechselwirkungseffekte in der Feldtheorie werden oft unter Verwendung der Störungstheorie definiert, in der Funktionen in Gleichungen in Potenzen der Wechselwirkungskonstante entwickelt werden. Normalerweise ist die Wechselwirkungskonstante für alle Wechselwirkungen außer der starken Wechselwirkung viel kleiner als Eins. Dies macht die Anwendung der Störungstheorie effizient, da der Beitrag der höheren Terme der Entwicklungen schnell abnimmt und ihre Berechnung unnötig wird. Im Fall einer starken Wechselwirkung wird die Störungstheorie ungeeignet und andere Berechnungsmethoden sind erforderlich.

Eine der Vorhersagen der Quantenfeldtheorie ist der sogenannte „Floating Constants“-Effekt, wonach sich die Wechselwirkungskonstanten mit zunehmender Energie, die bei der Wechselwirkung von Teilchen übertragen wird, langsam ändern. Die Konstante der elektromagnetischen Wechselwirkung nimmt also zu und die Konstante der starken Wechselwirkung nimmt mit zunehmender Energie ab. Quarks in der Quantenchromodynamik haben ihre eigene starke Wechselwirkungskonstante:

wo ist die effektive Farbladung eines Quarks, das virtuelle Gluonen aussendet, um mit einem anderen Quark zu interagieren. Mit einer Abnahme des Abstands zwischen Quarks, die bei Kollisionen von Teilchen mit hoher Energie erreicht wird, wird eine logarithmische Abnahme und Schwächung der starken Wechselwirkung (der Effekt der asymptotischen Freiheit von Quarks) erwartet. Auf der Skala der übertragenen Energie in der Größenordnung der Masse-Energie des Z-Bosons (91,19 GeV) findet man das Auf der gleichen Energieskala steigt die elektromagnetische Wechselwirkungskonstante auf einen Wert in der Größenordnung von 1/127 statt ≈1/137 bei niedrigen Energien. Es wird angenommen, dass sich bei noch höheren Energien, etwa 10 18 GeV, die Werte der Konstanten der gravitativen, schwachen, elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen von Teilchen annähern und sogar annähernd gleich werden können.

Konstanten in anderen Theorien

Stringtheorie

In der Stringtheorie werden Wechselwirkungskonstanten nicht als Konstanten betrachtet, sondern sind dynamischer Natur. Insbesondere sieht dieselbe Theorie bei niedrigen Energien so aus, als würden sich die Saiten in zehn Dimensionen bewegen, und bei hohen Energien in elf. Eine Änderung der Anzahl der Messungen geht mit einer Änderung der Wechselwirkungskonstanten einher.

starke Schwerkraft

Zusammen mit und gelten elektromagnetische Kräfte als die Hauptkomponenten der starken Wechselwirkung in . Anstatt die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen zu berücksichtigen, werden in diesem Modell nur zwei grundlegende Felder berücksichtigt - Gravitation und Elektromagnetik, die in der geladenen und massierten Materie von Elementarteilchen sowie im Raum zwischen ihnen wirken. Gleichzeitig wird angenommen, dass Quarks und Gluonen keine echten Teilchen, sondern Quasiteilchen sind, was die Quanteneigenschaften und Symmetrien widerspiegelt, die hadronischer Materie innewohnen. Dieser Ansatz reduziert die für physikalische Theorien Rekordzahl eigentlich unbegründeter, aber postulierter freier Parameter im Standardmodell der Elementarteilchenphysik, in dem es mindestens 19 solcher Parameter gibt, drastisch.

Eine weitere Konsequenz ist, dass die schwachen und starken Wechselwirkungen nicht als unabhängige Feldwechselwirkungen betrachtet werden. Die starke Wechselwirkung wird auf Kombinationen von Gravitations- und elektromagnetischen Kräften reduziert, bei denen die Wechselwirkungsverzögerungseffekte (Dipol- und orbitale Torsionsfelder und magnetische Kräfte) eine wichtige Rolle spielen. Dementsprechend wird die starke Wechselwirkungskonstante in Analogie zur gravitativen Wechselwirkungskonstante bestimmt:

Es ist nützlich zu verstehen, welche Konstanten im Allgemeinen grundlegend sind. Nehmen wir zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit. Die Tatsache, dass es endlich ist, ist grundlegend, nicht seine Bedeutung. In dem Sinne, dass wir die Entfernung und Zeit so bestimmt haben, dass es so ist. In anderen Einheiten wäre das anders.

Was ist denn grundlegend? Dimensionslose Verhältnisse und charakteristische Wechselwirkungskräfte, die durch dimensionslose Wechselwirkungskonstanten beschrieben werden. Grob gesagt charakterisieren Wechselwirkungskonstanten die Wahrscheinlichkeit eines Prozesses. Beispielsweise charakterisiert die elektromagnetische Konstante, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Elektron an einem Proton streut.

Mal sehen, wie wir dimensionale Größen logisch aufbauen können. Sie können das Verhältnis der Massen von Proton und Elektron und eine bestimmte Konstante der elektromagnetischen Wechselwirkung eingeben. Atome werden in unserem Universum erscheinen. Sie können einen bestimmten atomaren Übergang nehmen und die Frequenz des emittierten Lichts nehmen und alles in der Periode der Lichtschwingungen messen. Hier ist die Zeiteinheit. Licht wird während dieser Zeit eine gewisse Entfernung zurücklegen, sodass wir eine Entfernungseinheit erhalten. Ein Photon mit einer solchen Frequenz hat eine Art Energie, eine Energieeinheit hat sich herausgestellt. Und dann ist die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung so groß, dass die Größe des Atoms in unseren neuen Einheiten so groß ist. Wir messen die Entfernung als das Verhältnis der Laufzeit des Lichts durch das Atom zur Schwingungsdauer. Dieser Wert hängt nur von der Stärke der Wechselwirkung ab. Wenn wir nun die Lichtgeschwindigkeit als Verhältnis der Größe eines Atoms zur Schwingungsdauer definieren, erhalten wir eine Zahl, die aber nicht fundamental ist. Die Sekunde und das Meter sind für uns charakteristische Zeit- und Entfernungsskalen. In ihnen messen wir die Lichtgeschwindigkeit, aber ihr spezifischer Wert hat keine physikalische Bedeutung.

Gedankenexperiment, lass es ein anderes Universum geben, in dem das Messgerät genau doppelt so groß ist wie bei uns, aber alle fundamentalen Konstanten und Beziehungen gleich sind. Dann dauert es doppelt so lange, bis sich Interaktionen ausbreiten, und menschenähnliche Wesen werden eine Sekunde mit halber Geschwindigkeit wahrnehmen. Das spüren sie natürlich nicht. Wenn sie die Lichtgeschwindigkeit messen, erhalten sie den gleichen Wert wie wir. Denn sie messen in ihren charakteristischen Metern und Sekunden.

Daher messen Physiker der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit 300.000 km/s beträgt, keine grundlegende Bedeutung bei. Und die Konstante der elektromagnetischen Wechselwirkung, die sogenannte Feinstrukturkonstante (sie beträgt etwa 1/137) ist beigefügt.

Außerdem hängen natürlich die mit den entsprechenden Prozessen verbundenen Konstanten fundamentaler Wechselwirkungen (Elektromagnetismus, starke und schwache Wechselwirkungen, Gravitation) von den Energien dieser Prozesse ab. Die elektromagnetische Wechselwirkung auf der Energieskala in der Größenordnung der Elektronenmasse ist eins, und auf der Skala der Größenordnung der Higgs-Boson-Masse ist sie anders, höher. Die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung wächst mit der Energie. Aber wie sich die Wechselwirkungskonstanten mit der Energie ändern, kann berechnet werden, wenn man weiß, um welche Art von Teilchen es sich handelt und welche Eigenschaftsverhältnisse sie haben.

Um die grundlegenden Wechselwirkungen auf unserer Verständnisebene vollständig zu beschreiben, reicht es daher aus, zu wissen, welche Gruppe von Teilchen wir haben, die Massenverhältnisse von Elementarteilchen, die Wechselwirkungskonstanten auf einer Skala, beispielsweise auf der Skala der Elektronenmasse und das Verhältnis der Kräfte, mit denen jedes einzelne Teilchen diese Wechselwirkung wechselwirkt, im elektromagnetischen Fall entspricht dies dem Verhältnis der Ladungen (die Ladung eines Protons ist gleich der Ladung eines Elektrons, weil die Wechselwirkungskraft eines Elektron mit Elektron fällt mit der Wechselwirkungskraft eines Elektrons mit einem Proton zusammen, wenn sie doppelt so groß wäre, dann wäre die Kraft doppelt so groß, die Kraft wird, ich wiederhole, in dimensionslosen Wahrscheinlichkeiten gemessen). Es stellt sich die Frage, warum sie es sind.

Hier ist nicht alles klar. Einige Wissenschaftler glauben, dass eine grundlegendere Theorie entstehen wird, aus der hervorgeht, wie Massen, Ladungen und so weiter zusammenhängen. Letzteres wird gewissermaßen durch große vereinheitlichte Theorien beantwortet. Einige Leute glauben, dass das anthropische Prinzip am Werk ist. Das heißt, wenn die fundamentalen Konstanten anders wären, würden wir in einem solchen Universum einfach nicht existieren.

"Goldener Bund" - per Definition eine Konstante! Autor A. A. Korneev 22. Mai 2007

© Alexey A. Korneev

"Goldener Bund" - per Definition eine Konstante!

Wie auf der Website der "Academy of Trinitarianism" zu dem dort veröffentlichten Artikel des Autors berichtet wurde, wurde ihm eine allgemeine Formel für die identifizierte Abhängigkeit präsentiert (1) und eine neue Konstante "L» :

(1: Nn) xFm = L(1)

... Als Ergebnis wurde ein einfacher Bruch bestimmt und berechnet, der dem inversen Wert des Parameters "L" entspricht, der als "goldene Bundkonstante" bezeichnet werden sollte

"L" = 1/12,984705 = 1/13 (mit einer Genauigkeit von nicht schlechter als 1,52 %).

In den Rezensionen und Kommentaren (zum angegebenen Artikel) wurden Zweifel geäußert, dass die Ableitung aus Formel (1)

Anzahl "L» ist eine KONSTANTE.

Dieser Artikel enthält die Antwort auf die geäußerten Zweifel.

In der Formel (1) wir haben es mit einer Gleichung zu tun, deren Parameter wie folgt definiert sind:

n - eine der Zahlen der Fibonacci-Reihe (außer der ersten).

n- die laufende Nummer einer Zahl aus der Fibonacci-Reihe, beginnend mit der ersten Zahl.

m- ein numerischer Indikator für den Grad der Indexzahl (Grenzwert) der Fibonacci-Reihe.

L - ein bestimmter konstanter Wert in allen Berechnungen gemäß der Formel (1):L =1/13;

F– Index (Limit) Nummer der Fibonacci-Reihe (Ф = 1.61803369…)

In Formel (1) sind die variablen (im Laufe der Berechnungen ändernden!) Parameter die Werte bestimmter Größen " n» Und "m».

Daher ist es absolut legitim, Formel (1) in der allgemeinsten Form wie folgt zu schreiben:

1: F(n) = F(m) * L (2)

Woraus folgt:F(m) : F(n) = L = Konst.

Ist immer!

Forschungsarbeiten, nämlich die berechneten Daten von Tabelle 1, zeigten, dass sich für Formel (1) die numerischen Werte der variablen Parameter als miteinander verbunden herausstellten nach der Regel: m = (n – 7 ).

Und dieses Zahlenverhältnis der Parameter "m» Und "n» wird ebenfalls unverändert gehalten.

Unter Berücksichtigung letzterer (oder ohne Berücksichtigung dieser Verbindung der Parameter "m» Und "n» ), aber die Gleichungen (1) und (2) sind (per Definition) algebraische Gleichungen.

In diesen Gleichungen haben nach allen bestehenden Regeln der Mathematik (siehe unten eine Kopie von S. 272 ​​​​aus dem Handbuch der Mathematik) alle Komponenten solcher Gleichungen ihre eigenen eindeutigen Namen (Interpretationen von Begriffen).

Unten in Abb. 1 ist eine Kopie der Seite von " Handbuch der Mathematik ».

Abb.1

Moskau. Mai 2007

Über Konstanten (als Referenz)

/ Zitate aus verschiedenen Quellen /

Mathematische Konstanten

<….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.

Dieser Ansatz ist auf die symbolische Mathematik nicht anwendbar. Um beispielsweise eine mathematische Identität so anzugeben, dass der natürliche Logarithmus der Euler-Konstante e genau 1 ist, muss die Konstante absolute Genauigkeit haben. …>.

<….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. …>.

Weltkonstanten

<….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. …>.

Physikalische Konstanten

<….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 drei grundlegende physikalische Konstanten: die Lichtgeschwindigkeit, das Plancksche Wirkungsquantum und die Elektronenladung.

Der Wert der Feinstrukturkonstante ist eine der Grundlagen des anthropischen Prinzips in Physik und Philosophie: Das Universum ist so, dass wir existieren und es studieren können. Die Zahl A ermöglicht zusammen mit der Feinstrukturkonstanten ± wichtige dimensionslose Fundamentalkonstanten zu erhalten, die auf andere Weise nicht erhalten werden könnten. …>.

<….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 : …>.

Medizinische Konstanten

<….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. …>.

NICHT KONSTANTEN

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

Es ist eine Zufallszahl, die von vielen Faktoren abhängt, zum Beispiel davon, dass 1/40000 des Meridians als Meter genommen wurde. Würde eine Bogenminute dauern - es würde eine andere Anzahl von Erdbeschleunigungen geben.

Darüber hinaus ist diese Zahl auch unterschiedlich (in verschiedenen Teilen der Erde oder einem anderen Planeten), dh sie ist keine Konstante …>.

Wie unvorstellbar seltsam wäre die Welt, wenn sich physikalische Konstanten ändern könnten! Beispielsweise ist die sogenannte Feinstrukturkonstante ungefähr gleich 1/137. Wenn es einen anderen Wert hätte, dann gäbe es vielleicht keinen Unterschied zwischen Materie und Energie.

Es gibt Dinge, die ändern sich nie. Wissenschaftler nennen sie physikalische Konstanten oder Weltkonstanten. Es wird angenommen, dass die Lichtgeschwindigkeit $c$, die Gravitationskonstante $G$, die Elektronenmasse $m_e$ und einige andere Größen immer und überall unverändert bleiben. Sie bilden die Grundlage für physikalische Theorien und bestimmen den Aufbau des Universums.

Physiker arbeiten hart daran, die Konstanten der Welt mit immer größerer Genauigkeit zu messen, aber niemand konnte bisher irgendwie erklären, warum ihre Werte so sind, wie sie sind. Im SI-System $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( - 31) $ kg - völlig unabhängige Größen, die nur eine gemeinsame Eigenschaft haben: Wenn sie sich zumindest ein wenig ändern, wird die Existenz komplexer atomarer Strukturen, einschließlich lebender Organismen, in Frage gestellt. Der Wunsch, die Werte der Konstanten zu rechtfertigen, ist zu einem der Anreize für die Entwicklung einer einheitlichen Theorie geworden, die alle existierenden Phänomene vollständig beschreibt. Mit seiner Hilfe hofften Wissenschaftler zu zeigen, dass jede Weltkonstante nur einen möglichen Wert haben kann, aufgrund der internen Mechanismen, die die trügerische Willkür der Natur bestimmen.

Der beste Kandidat für den Titel einer einheitlichen Theorie ist die M-Theorie (eine Variante der Stringtheorie), die als konsistent angesehen werden kann, wenn das Universum nicht vier Raum-Zeit-Dimensionen hat, sondern elf. Daher sind die von uns beobachteten Konstanten möglicherweise nicht wirklich fundamental. Wahre Konstanten existieren im vollen mehrdimensionalen Raum, und wir sehen nur ihre dreidimensionalen "Silhouetten".

ÜBERSICHT: WELTKONSTANTEN

1. In vielen physikalischen Gleichungen gibt es Größen, die überall als konstant gelten – in Raum und Zeit.

2. In letzter Zeit haben Wissenschaftler die Konstanz der Weltkonstanten angezweifelt. Beim Vergleich der Ergebnisse von Quasarbeobachtungen und Labormessungen kommen sie zu dem Schluss, dass chemische Elemente in ferner Vergangenheit Licht anders absorbierten als heute. Der Unterschied lässt sich durch eine Veränderung der Feinstrukturkonstante um mehrere Millionstel erklären.

3. Die Bestätigung selbst einer so kleinen Änderung wird eine echte Revolution in der Wissenschaft sein. Die beobachteten Konstanten könnten sich als nur „Silhouetten“ der wahren Konstanten herausstellen, die in der multidimensionalen Raumzeit existieren.

Inzwischen sind Physiker zu dem Schluss gekommen, dass die Werte vieler Konstanten das Ergebnis zufälliger Ereignisse und Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen in den frühen Stadien der Geschichte des Universums sein können. Die Stringtheorie lässt die Existenz einer riesigen Anzahl ($10^(500)$) von Welten mit unterschiedlichen selbstkonsistenten Sätzen von Gesetzen und Konstanten zu ( siehe Landscape of String Theory, In the World of Science, Nr. 12, 2004.). Bisher haben Wissenschaftler keine Ahnung, warum unsere Kombination ausgewählt wurde. Vielleicht wird sich durch weitere Forschung die Zahl der logisch möglichen Welten auf eine verringern, aber es ist möglich, dass unser Universum nur ein kleiner Teil des Multiversums ist, in dem verschiedene Lösungen der Gleichungen einer einheitlichen Theorie implementiert sind, und wir beobachten nur eine der Varianten der Naturgesetze ( siehe Parallel Universes, In the World of Science, Nr. 8, 2003) In diesem Fall gibt es für viele Weltkonstanten keine Erklärung, außer dass sie eine seltene Kombination darstellen, die die Entwicklung des Bewusstseins ermöglicht. Vielleicht ist das Universum, das wir beobachten, zu einer von vielen isolierten Oasen geworden, die von einer Unendlichkeit des leblosen Weltraums umgeben sind – ein surrealer Ort, an dem uns völlig fremde Naturkräfte dominieren und Teilchen wie Elektronen und Strukturen wie Kohlenstoffatome und DNA-Moleküle einfach unmöglich sind. Der Versuch, dorthin zu gelangen, wäre fatal gewesen.

Die Stringtheorie wurde auch entwickelt, um die scheinbare Willkür physikalischer Konstanten zu erklären, sodass ihre Grundgleichungen nur wenige willkürliche Parameter enthalten. Aber bisher erklärt es nicht die beobachteten Werte der Konstanten.

Zuverlässiger Herrscher

Tatsächlich ist die Verwendung des Wortes „Konstante“ nicht ganz legitim. Unsere Konstanten könnten sich in Zeit und Raum ändern. Würden sich die außerräumlichen Dimensionen in ihrer Größe ändern, würden sich mit ihnen auch die Konstanten in unserer dreidimensionalen Welt ändern. Und wenn wir weit genug in den Weltraum blickten, konnten wir Bereiche sehen, in denen die Konstanten unterschiedliche Werte annahmen. Seit den 1930er Jahren Wissenschaftler haben spekuliert, dass Konstanten möglicherweise nicht konstant sind. Die Stringtheorie verleiht dieser Idee theoretische Plausibilität und macht die Suche nach Vergänglichkeit umso wichtiger.

Das erste Problem besteht darin, dass der Laboraufbau selbst empfindlich auf Änderungen der Konstanten reagieren kann. Die Größe aller Atome konnte zunehmen, aber wenn das für die Messungen verwendete Lineal auch länger wurde, konnte nichts über die Änderung der Größe der Atome gesagt werden. Experimentatoren gehen normalerweise davon aus, dass die Messnormale (Maßstäbe, Gewichte, Uhren) unverändert sind, aber dies kann nicht erreicht werden, wenn Konstanten überprüft werden. Forscher sollten auf dimensionslose Konstanten achten – also Zahlen, die nicht vom Einheitensystem abhängen, zum Beispiel das Verhältnis der Masse eines Protons zur Masse eines Elektrons.

Ändert sich die innere Struktur des Universums?

Von besonderem Interesse ist die Größe $\alpha = e^2/2\epsilon_0 hc$, die die Lichtgeschwindigkeit $c$, die elektrische Ladung des Elektrons $e$, die Plancksche Konstante $h$ und die so- Vakuumdielektrizitätskonstante $\epsilon_0$ genannt. Sie wird als Feinstrukturkonstante bezeichnet. Es wurde erstmals 1916 von Arnold Sommerfeld eingeführt, der als einer der ersten versuchte, die Quantenmechanik auf den Elektromagnetismus anzuwenden: $\alpha$ bezieht sich auf die relativistischen (c) und quantenmechanischen (h) Eigenschaften elektromagnetischer (e) Wechselwirkungen mit geladenen Teilchen in einem leeren Raum ($\epsilon_0$). Messungen haben ergeben, dass dieser Wert 1/137,03599976 (ungefähr 1/137) beträgt.

Wenn $\alpha $ eine andere Bedeutung hätte, dann würde sich die ganze Welt verändern. Wenn es kleiner wäre, würde die Dichte eines aus Atomen zusammengesetzten Festkörpers abnehmen (proportional zu $\alpha^3 $), molekulare Bindungen würden bei niedrigeren Temperaturen brechen ($\alpha^2 $) und die Anzahl stabiler Elemente in das Periodensystem könnte steigen ($1/\alpha $). Wenn sich $ \alpha $ als zu groß erweisen würde, könnten kleine Atomkerne nicht existieren, weil die sie bindenden Kernkräfte die gegenseitige Abstoßung der Protonen nicht verhindern könnten. Für $\alpha >0.1 $ könnte Kohlenstoff nicht existieren.

Kernreaktionen in Sternen sind besonders empfindlich gegenüber $\alpha $. Damit eine Kernfusion stattfinden kann, muss die Schwerkraft des Sterns eine Temperatur erzeugen, die hoch genug ist, damit sich die Kerne trotz ihrer Tendenz, sich gegenseitig abzustoßen, näher zusammenrücken. Wenn $ \alpha $ größer als 0,1 wäre, wäre eine Fusion unmöglich (es sei denn natürlich, andere Parameter, wie das Verhältnis von Elektronen- und Protonenmassen, blieben gleich). Eine Änderung von $\alpha$ um nur 4% würde die Energieniveaus im Kern von Kohlenstoff so stark beeinflussen, dass sein Vorkommen in Sternen einfach aufhören würde.

Umsetzung nuklearer Techniken

Das zweite, schwerwiegendere experimentelle Problem besteht darin, dass die Messung von Änderungen in Konstanten hochpräzise Geräte erfordert, die extrem stabil sein müssen. Auch mit Atomuhren lässt sich die Drift der Feinstrukturkonstante nur wenige Jahre verfolgen. Wenn sich $\alpha $ in drei Jahren um mehr als 4 $\cdot$ $10^(–15)$ ändern würde, wäre die genaueste Uhr in der Lage, dies zu erkennen. Bisher wurde jedoch nichts dergleichen aufgezeichnet. Es scheint, warum nicht die Bestätigung der Beständigkeit? Aber drei Jahre für den Weltraum sind ein Augenblick. Langsame, aber bedeutende Veränderungen in der Geschichte des Universums können unbemerkt bleiben.

LEICHTE UND DAUERHAFTE FEINSTRUKTUR

Glücklicherweise haben Physiker andere Möglichkeiten gefunden, dies zu überprüfen. In den 1970ern Wissenschaftler der französischen Atomenergiekommission bemerkten einige Merkmale in der Isotopenzusammensetzung von Erz aus der Uranmine in Oklo in Gabun (Westafrika): Es ähnelte Kernreaktorabfällen. Anscheinend wurde vor etwa 2 Milliarden Jahren in Oklo ( siehe Divine Reactor, In the World of Science, Nr. 1, 2004).

1976 beobachtete Alexander Shlyakhter vom Leningrader Institut für Kernphysik, dass die Leistung natürlicher Reaktoren entscheidend von der genauen Energie des spezifischen Zustands des Samariumkerns abhängt, der Neutronen einfängt. Und die Energie selbst hängt stark mit dem Wert von $\alpha $ zusammen. Wenn also die Feinstrukturkonstante etwas anders gewesen wäre, hätte keine Kettenreaktion stattfinden können. Aber es ist wirklich passiert, was bedeutet, dass sich die Konstante in den letzten 2 Milliarden Jahren nicht um mehr als 1 $\cdot$ $10^(–8)$ geändert hat. (Wegen der unvermeidlichen Ungewissheit über die Bedingungen in einem natürlichen Reaktor streiten Physiker weiterhin über exakte quantitative Ergebnisse.)

1962 wandten P. James E. Peebles und Robert Dicke von der Princeton University als erste eine solche Analyse auf alte Meteoriten an: Die relative Häufigkeit von Isotopen, die aus ihrem radioaktiven Zerfall resultieren, hängt von $\alpha $ ab. Die empfindlichste Einschränkung ist mit dem Beta-Zerfall bei der Umwandlung von Rhenium in Osmium verbunden. Laut neueren Arbeiten von Keith Olive von der University of Minnesota und Maxim Pospelov von der University of Victoria in British Columbia wich $\alpha$ von seinem aktuellen Wert um 2 $\cdot$ $10^ zum Zeitpunkt der Entstehung der Meteoriten ab (– 6)$. Dieses Ergebnis ist weniger genau als die Oklo-Daten, aber es geht weiter in die Vergangenheit zurück, bis zum Ursprung des Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren.

Um mögliche Veränderungen über noch längere Zeiträume zu erforschen, müssen Forscher zum Himmel blicken. Licht von fernen astronomischen Objekten erreicht unsere Teleskope seit Milliarden von Jahren und trägt den Abdruck der Gesetze und Weltkonstanten jener Zeit, als es gerade seine Reise und Wechselwirkung mit der Materie begann.

Spektrale Linien

Astronomen wurden kurz nach der Entdeckung von Quasaren im Jahr 1965 in die Geschichte der Konstanten verwickelt, die gerade entdeckt und als helle Lichtquellen in großen Entfernungen von der Erde identifiziert worden waren. Da der Weg des Lichts vom Quasar zu uns so lang ist, kreuzt er zwangsläufig die gashaltige Nachbarschaft junger Galaxien. Das Gas absorbiert Quasarlicht bei bestimmten Frequenzen und prägt einen Strichcode aus schmalen Linien über sein Spektrum (siehe Kasten unten).

SUCHE NACH VERÄNDERUNGEN IN DER QUASARSTRAHLUNG

Wenn das Gas Licht absorbiert, springen die in den Atomen enthaltenen Elektronen von niedrigeren Energieniveaus auf höhere. Energieniveaus werden dadurch bestimmt, wie stark der Atomkern Elektronen hält, was von der Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen ihnen und damit von der Feinstrukturkonstante abhängt. Wenn es zu dem Zeitpunkt anders war, als das Licht absorbiert wurde, oder in einer bestimmten Region des Universums, wo es passierte, dann sollten die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron auf eine neue Ebene zu bringen, und die Wellenlängen der in den Spektren beobachteten Übergänge, anders sein anders sein als heute in Laborexperimenten beobachtet. Die Art der Wellenlängenänderung hängt entscheidend von der Verteilung der Elektronen in Atombahnen ab. Bei einer gegebenen Änderung von $\alpha$ nehmen einige Wellenlängen ab, während andere zunehmen. Das komplexe Effektmuster ist schwer mit Datenkalibrierungsfehlern zu verwechseln, was ein solches Experiment äußerst nützlich macht.

Als wir vor sieben Jahren mit der Arbeit begannen, standen wir vor zwei Problemen. Erstens wurden die Wellenlängen vieler Spektrallinien nicht mit ausreichender Genauigkeit gemessen. Seltsamerweise wussten Wissenschaftler viel mehr über die Spektren von Quasaren, die Milliarden Lichtjahre entfernt waren, als über die Spektren von terrestrischen Proben. Wir brauchten hochpräzise Labormessungen, um die Spektren des Quasars damit zu vergleichen, und wir überzeugten die Experimentatoren, entsprechende Messungen durchzuführen. Sie wurden von Anne Thorne und Juliet Pickering vom Imperial College London und später von Teams unter der Leitung von Sveneric Johansson vom Lund Observatory in Schweden sowie von Ulf Griesmann und Rainer Kling (Rainer Kling) vom National Institute of Standards and Technology in durchgeführt Maryland.

Das zweite Problem war, dass frühere Beobachter sogenannte alkalische Dubletten verwendeten, Paare von Absorptionslinien, die in atomaren Gasen aus Kohlenstoff oder Silizium auftreten. Die Abstände zwischen diesen Linien in den Spektren des Quasars verglichen sie mit Labormessungen. Allerdings erlaubte diese Methode nicht, ein bestimmtes Phänomen auszunutzen: Variationen von $\alpha $ bewirken nicht nur eine Änderung des Intervalls zwischen den Energieniveaus eines Atoms relativ zum Niveau mit der niedrigsten Energie (dem Grundzustand), sondern auch eine Veränderung der Lage des Grundzustandes selbst. Tatsächlich ist der zweite Effekt sogar noch stärker als der erste. Als Ergebnis betrug die Genauigkeit der Beobachtungen nur 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

1999 entwickelten einer der Autoren der Veröffentlichung (Web) und Victor V. Flambaum von der University of New South Wales in Australien eine Technik, um beide Effekte zu berücksichtigen. Als Ergebnis wurde die Empfindlichkeit um das 10-fache erhöht. Darüber hinaus wurde es möglich, verschiedene Atomarten (z. B. Magnesium und Eisen) zu vergleichen und zusätzliche Quervergleiche durchzuführen. Komplizierte Berechnungen mussten durchgeführt werden, um genau festzustellen, wie die beobachteten Wellenlängen in verschiedenen Atomarten variieren. Ausgestattet mit hochmodernen Teleskopen und Sensoren entschieden wir uns, die Persistenz von $\alpha$ mit beispielloser Genauigkeit unter Verwendung einer neuen Methode mit vielen Multipletts zu testen.

Überarbeitung der Ansichten

Als wir mit den Experimenten begannen, wollten wir einfach genauer feststellen, dass der Wert der Feinstrukturkonstante in der Antike derselbe war wie heute. Zu unserer Überraschung zeigten die Ergebnisse von 1999 kleine, aber statistisch signifikante Unterschiede, die später bestätigt wurden. Unter Verwendung von Daten von 128 Quasar-Absorptionslinien haben wir einen Anstieg von $\alpha$ um 6 $\cdot$ $10^(–6)$ in den letzten 6–12 Milliarden Jahren aufgezeichnet.

Die Ergebnisse der Messungen der Feinstrukturkonstante lassen keine endgültigen Schlüsse zu. Einige von ihnen weisen darauf hin, dass es früher kleiner war als heute, andere nicht. Vielleicht hat sich α in der fernen Vergangenheit verändert, ist aber jetzt konstant geworden. (Die Kästchen stellen den Datenbereich dar.)

Mutige Behauptungen erfordern solide Beweise, daher bestand unser erster Schritt darin, unsere Datenerhebungs- und Analysemethoden sorgfältig zu überprüfen. Messfehler können in zwei Arten unterteilt werden: systematisch und zufällig. Mit zufälligen Ungenauigkeiten ist alles einfach. Sie nehmen bei jeder einzelnen Messung unterschiedliche Werte an, die bei einer Vielzahl von Messungen gemittelt werden und gegen Null gehen. Systematische Fehler, die nicht gemittelt werden, sind schwieriger zu handhaben. In der Astronomie begegnet man solchen Unsicherheiten auf Schritt und Tritt. In Laborexperimenten können Instrumente abgestimmt werden, um Fehler zu minimieren, aber Astronomen können das Universum nicht „abstimmen“, und sie müssen zugeben, dass alle ihre Datenerfassungsmethoden inhärente Verzerrungen enthalten. Beispielsweise ist die beobachtete räumliche Verteilung von Galaxien deutlich in Richtung heller Galaxien verzerrt, weil sie leichter zu beobachten sind. Solche Verschiebungen zu erkennen und zu neutralisieren, ist eine ständige Herausforderung für Beobachter.

Zunächst machten wir auf die mögliche Verzerrung der Wellenlängenskala aufmerksam, relativ zu der die Spektrallinien des Quasars gemessen wurden. Es könnte beispielsweise bei der Verarbeitung der "rohen" Ergebnisse der Beobachtung von Quasaren zu einem kalibrierten Spektrum entstehen. Obwohl einfaches lineares Dehnen oder Schrumpfen der Wellenlängenskala die Änderung von $\alpha$ nicht genau nachahmen könnte, würde sogar eine ungefähre Ähnlichkeit ausreichen, um die Ergebnisse zu erklären. Nach und nach eliminierten wir einfache Fehler im Zusammenhang mit Verzerrungen, indem wir die Ergebnisse der Quasarbeobachtung durch Kalibrierungsdaten ersetzten.

Seit mehr als zwei Jahren untersuchen wir verschiedene Ursachen für Verzerrungen, um sicherzustellen, dass ihre Auswirkungen vernachlässigbar sind. Wir haben nur eine potenzielle Quelle für schwerwiegende Fehler gefunden. Wir sprechen von Magnesium-Absorptionslinien. Jedes seiner drei stabilen Isotope absorbiert Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen, die sehr nahe beieinander liegen und in den Spektren von Quasaren als einzelne Linie sichtbar sind. Basierend auf Labormessungen der relativen Häufigkeit von Isotopen beurteilen die Forscher den Beitrag jedes von ihnen. Ihre Verteilung im jungen Universum könnte sich erheblich von der heutigen unterscheiden, wenn die Sterne, die Magnesium emittieren, im Durchschnitt schwerer wären als ihre heutigen Pendants. Solche Unterschiede könnten eine Veränderung von $\alpha$ nachahmen, aber die Ergebnisse einer in diesem Jahr veröffentlichten Studie zeigen, dass die beobachteten Fakten nicht so einfach zu erklären sind. Yeshe Fenner und Brad K. Gibson von der Swinburne University of Technology in Australien und Michael T. Murphy von der University of Cambridge kamen zu dem Schluss, dass die zur Nachahmung der $\alpha$-Änderung erforderliche Isotopenhäufigkeit zu Beginn auch zu einer übermäßigen Stickstoffsynthese führen würde Universum, das völlig unvereinbar mit Beobachtungen ist. Wir müssen also mit der Möglichkeit leben, dass sich $\alpha$ geändert hat.

MANCHMAL ÄNDERT ES SICH, MANCHMAL NICHT

Nach der von den Autoren des Artikels aufgestellten Hypothese blieb die Feinstrukturkonstante in einigen Perioden der kosmischen Geschichte unverändert, während sie in anderen zunahm. Die experimentellen Daten (siehe vorheriger Einschub) stimmen mit dieser Annahme überein.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft erkannte sofort die Bedeutung unserer Ergebnisse. Forscher der Spektren von Quasaren auf der ganzen Welt begannen sofort mit Messungen. Im Jahr 2003 haben die Forschungsteams von Sergei Levshakov (Sergei Levshakov) vom St. Petersburg Institute of Physics and Technology. Ioffe und Ralf Quast von der Universität Hamburg haben drei neue Quasarsysteme untersucht. Im vergangenen Jahr analysierten Hum Chand und Raghunathan Srinand vom Interuniversitären Zentrum für Astronomie und Astrophysik in Indien, Patrick Petitjean vom Institut für Astrophysik und Bastien Aracil von LERMA in Paris 23 weitere Fälle. Keine der Gruppen fand Änderungen an $\alpha$. Chand argumentiert, dass jede Veränderung vor 6 bis 10 Milliarden Jahren weniger als ein Millionstel betragen muss.

Warum führten ähnliche Methoden zur Analyse unterschiedlicher Quelldaten zu einer so drastischen Diskrepanz? Die Antwort ist noch nicht bekannt. Die von den genannten Forschern erzielten Ergebnisse sind von ausgezeichneter Qualität, aber die Größe ihrer Proben und das Alter der analysierten Strahlung sind deutlich kleiner als bei uns. Darüber hinaus verwendete Chand eine vereinfachte Version der Multi-Multiplet-Methode und wertete nicht alle experimentellen und systematischen Fehler vollständig aus.

Der renommierte Astrophysiker John Bahcall aus Princeton hat die Multimultiplet-Methode selbst kritisiert, aber die Probleme, auf die er hinweist, gehören in die Kategorie zufälliger Fehler, die minimiert werden, wenn große Stichproben verwendet werden. Bacall und Jeffrey Newman vom National Laboratory. Lawrence in Berkeley betrachtete Emissionslinien, nicht Absorptionslinien. Ihr Ansatz ist viel weniger präzise, ​​obwohl er sich in Zukunft als nützlich erweisen könnte.

Gesetzesreform

Wenn unsere Ergebnisse stimmen, werden die Konsequenzen enorm sein. Bis vor kurzem waren alle Versuche, abzuschätzen, was mit dem Universum passieren würde, wenn sich die Feinstrukturkonstante ändert, unbefriedigend. Sie gingen nicht weiter, als $\alpha$ als Variable in denselben Formeln zu betrachten, die unter der Annahme erhalten wurden, dass es konstant ist. Zustimmen, ein sehr zweifelhafter Ansatz. Wenn sich $\alpha $ ändert, dann sollten Energie und Impuls in den damit verbundenen Effekten erhalten bleiben, was das Gravitationsfeld im Universum beeinflussen sollte. 1982 verallgemeinerte Jacob D. Bekenstein von der Hebräischen Universität Jerusalem erstmals die Gesetze des Elektromagnetismus auf den Fall nicht konstanter Konstanten. In seiner Theorie wird $\alpha $ als dynamischer Bestandteil der Natur betrachtet, d.h. wie ein Skalarfeld. Vor vier Jahren erweiterte einer von uns (Barrow) zusammen mit Håvard Sandvik und João Magueijo vom Imperial College London Bekensteins Theorie um die Schwerkraft.

Die Vorhersagen der verallgemeinerten Theorie sind verlockend einfach. Da der Elektromagnetismus im kosmischen Maßstab viel schwächer ist als die Gravitation, haben Veränderungen von $\alpha$ um wenige Millionstel keine merkliche Auswirkung auf die Expansion des Universums. Aber die Expansion wirkt sich aufgrund der Diskrepanz zwischen den Energien der elektrischen und magnetischen Felder erheblich auf $\alpha $ aus. Während der ersten zehntausend Jahre der kosmischen Geschichte dominierte Strahlung geladene Teilchen und hielt ein Gleichgewicht zwischen elektrischen und magnetischen Feldern aufrecht. Als sich das Universum ausdehnte, wurde die Strahlung dünner und die Materie wurde zum dominierenden Element des Kosmos. Die elektrische und die magnetische Energie erwiesen sich als ungleich, und $\alpha $ begann proportional zum Logarithmus der Zeit anzusteigen. Vor ungefähr 6 Milliarden Jahren begann die dunkle Energie zu dominieren und beschleunigte die Expansion, was es für alle physikalischen Wechselwirkungen schwierig macht, sich im freien Raum auszubreiten. Dadurch wurde $\alpha$ wieder fast konstant.

Das beschriebene Bild stimmt mit unseren Beobachtungen überein. Die Spektrallinien des Quasars charakterisieren jene Periode der kosmischen Geschichte, als die Materie dominierte und $\alpha$ zunahm. Die Ergebnisse von Labormessungen und Studien in Oklo entsprechen dem Zeitraum, in dem dunkle Energie dominiert und $\alpha$ konstant ist. Von besonderem Interesse ist die weitere Untersuchung des Einflusses der Änderung von $\alpha$ auf die radioaktiven Elemente in Meteoriten, weil es uns ermöglicht, den Übergang zwischen den beiden genannten Perioden zu studieren.

Alpha ist nur der Anfang

Ändert sich die Feinstrukturkonstante, so müssen die materiellen Objekte unterschiedlich fallen. Galilei formulierte einst das schwache Äquivalenzprinzip, wonach Körper im Vakuum mit gleicher Geschwindigkeit fallen, unabhängig davon, woraus sie bestehen. Aber Änderungen in $\alpha$ müssen eine Kraft erzeugen, die auf alle geladenen Teilchen wirkt. Je mehr Protonen ein Atom in seinem Kern enthält, desto stärker wird es es spüren. Wenn die Schlussfolgerungen aus der Analyse der Ergebnisse von Quasarbeobachtungen richtig sind, sollte sich die Beschleunigung des freien Falls von Körpern aus verschiedenen Materialien um etwa 1 $\cdot$ $10^(–14)$ unterscheiden. Das ist 100-mal kleiner als das, was im Labor gemessen werden kann, aber groß genug, um Unterschiede in Experimenten wie STEP (Testing the Equivalence Principle in Space) aufzuzeigen.

In früheren Studien zu $\alpha $ haben Wissenschaftler die Inhomogenität des Universums vernachlässigt. Wie alle Galaxien ist unsere Milchstraße im Durchschnitt etwa eine Million Mal dichter als der Weltraum, dehnt sich also nicht mit dem Universum aus. 2003 berechneten Barrow und David F. Mota aus Cambridge, dass sich $\alpha$ innerhalb einer Galaxie anders verhalten könnte als in leeren Regionen des Weltraums. Sobald eine junge Galaxie kondensiert und während der Entspannung ins Gravitationsgleichgewicht kommt, wird $\alpha$ innerhalb der Galaxie konstant, ändert sich aber weiterhin außerhalb. Daher leiden Experimente auf der Erde, die die Persistenz von $\alpha$ testen, unter einer voreingenommenen Auswahl von Bedingungen. Wir müssen noch herausfinden, wie sich dies auf die Überprüfung des schwachen Äquivalenzprinzips auswirkt. Bisher wurden keine räumlichen Variationen von $\alpha$ beobachtet. Unter Berufung auf die Homogenität des CMB zeigte Barrow kürzlich, dass $\alpha $ zwischen Regionen der Himmelskugel mit einem Abstand von $10^o$ um nicht mehr als 1 $\cdot$ $10^(–8)$ variiert.

Wir müssen auf das Auftauchen neuer Daten und neuer Studien warten, die die Hypothese über die Änderung von $\alpha $ endgültig bestätigen oder widerlegen. Forscher haben sich auf diese Konstante konzentriert, einfach weil die Auswirkungen aufgrund ihrer Variationen leichter zu erkennen sind. Aber wenn $\alpha$ wirklich änderbar ist, dann müssen sich auch andere Konstanten ändern. In diesem Fall müssen wir zugeben, dass die inneren Mechanismen der Natur viel komplizierter sind, als wir dachten.

ÜBER DIE AUTOREN:
John Barrow (John D. Barrow) und John Web (John K. Webb) beschäftigten sich 1996 während eines gemeinsamen Forschungssemesters an der University of Sussex in England mit dem Studium physikalischer Konstanten. Dann erforschte Barrow neue theoretische Möglichkeiten zur Veränderung von Konstanten, und Web beschäftigte sich mit Beobachtungen von Quasaren. Beide Autoren schreiben Sachbücher und treten häufig in Fernsehsendungen auf.

Betrachten wir die Art der Wechselwirkung von Elementarteilchen. Teilchen interagieren miteinander, indem sie Quanten von Kraftfeldern austauschen, und wie bisher festgestellt wurde, werden in der Natur vier Arten von Kräften, vier grundlegende Wechselwirkungen, beobachtet:

stark (nuklear, Bindung von Protonen und Neutronen in den Kernen chemischer Elemente);

elektromagnetisch;

schwach (verantwortlich für relativ langsamen Betazerfall)

Gravitation (was zu Newtons Gesetz der universellen Gravitation führt). Gravitations- und elektromagnetische Wechselwirkungen beziehen sich auf Kräfte, die in Gravitations- und elektromagnetischen Feldern entstehen. Die Natur der von Newton quantitativ etablierten Gravitationswechselwirkung ist noch nicht vollständig geklärt, und es ist nicht klar, wie diese Wirkung durch den Raum übertragen wird.

Kernkräfte im Zusammenhang mit starken Wechselwirkungen wirken in kurzen Abständen, etwa 10-15 m, in den Kernen und sorgen für ihre Stabilität, wobei sie die abstoßende Wirkung der Coulomb-Kräfte elektromagnetischer Felder überwiegen. Daher sind Kernkräfte hauptsächlich Anziehungskräfte und wirken zwischen Protonen ( R- R) und Neutronen ( P- P). Es gibt auch eine Proton-Neutron-Wechselwirkung ( P- P). Da diese Teilchen zu einer Gruppe von Nukleonen zusammengefasst sind, wird diese Wechselwirkung auch Nukleon-Nukleon genannt.

Schwache Wechselwirkungen manifestieren sich in den Prozessen des Kernzerfalls oder allgemeiner - in den Wechselwirkungsprozessen zwischen einem Elektron und einem Neutrino (es kann auch zwischen beliebigen Paaren von Elementarteilchen existieren).

Wie wir bereits wissen, ändern sich die gravitativen und elektromagnetischen Wechselwirkungen mit der Entfernung wie 1/ R 2 und sind weitreichend. Nukleare (starke) und schwache Wechselwirkungen sind kurzreichweitig. In Bezug auf die Größe sind die Hauptwechselwirkungen in der folgenden Reihenfolge angeordnet: stark (nuklear), elektrisch, schwach, gravitativ.

Es wird angenommen, dass die Quanten - Träger dieser vier Kraftfelder jeweils sind: für die starke Wechselwirkung - masselose Gluonen (8); für elektromagnetisch - masselose Photonen (Lichtquanten mit Spin 1); für die schwachen - Bosonen (drei Teilchen sind 90 mal schwerer als ein Proton) und für die gravitativen - masselosen Gravitonen (mit Spin 2).

Gluonen kleben und halten Quarks in Protonen und Kernen. Die Quanten all dieser Wechselwirkungsfelder haben ganzzahlige Spins und sind daher Bosonen, im Gegensatz zu Teilchen - Fermionen, die Spin 1/2 haben. Gluonen und Quarks haben eine besondere „Ladung“, die üblicherweise „Farbladung“ oder einfach „Farbe“ genannt wird. In der Quantenchromodynamik werden nur drei Farben als akzeptabel angesehen - Rot, Blau und Grün. Gluonen und Quarks wurden noch nicht direkt beobachtet, und es wird angenommen, dass farbige Quarks "kein Recht haben", aus den Kernen herauszufliegen, ebenso wie Phononen - Quanten thermischer Schwingungen des Kristallgitters von Atomen - nur innerhalb von Festkörpern existieren. Diese Eigenschaft, Quarks und Gluonen in Hadronen zu binden oder zu halten, wird Confinement genannt. Nur weiße ("farblose") Kombinationen von Quarks in Form von Hadronen - Baryonen und Mesonen, die bei Kernreaktionen bei Kollisionen verschiedener Teilchen entstehen, haben das Recht, aus den Kernen herauszufliegen und beobachtet zu werden. Es ist merkwürdig, dass ein einzelnes Quark, das als Ergebnis einiger Prozesse entstanden ist, sich fast augenblicklich (innerhalb von 10 -21 s) zu einem Hadron "vervollständigt" und nicht mehr aus dem Hadron herausfliegen kann.

Vier grundlegende Wechselwirkungen entsprechen vier Weltkonstanten. Die überwiegende Mehrheit der physikalischen Konstanten hat Dimensionen, die vom Bezugssystem abhängen, beispielsweise in SI (International System of Units - Internationales System) geladen e\u003d 1,6 10 -19 C, seine Masse t = 9,1 10 -31 kg. In unterschiedlichen Bezugssystemen haben die Grundeinheiten unterschiedliche Zahlenwerte und Abmessungen. Diese Situation ist der Wissenschaft nicht angemessen, da es bequemer ist, dimensionslose Konstanten zu haben, die nicht mit einer bedingten Wahl von Anfangseinheiten und Referenzsystemen verbunden sind. Außerdem werden Naturkonstanten nicht aus physikalischen Theorien abgeleitet, sondern experimentell bestimmt. In diesem Sinne kann die theoretische Physik nicht als autark und vollständig zur Erklärung der Eigenschaften der Natur angesehen werden, bis das mit den Weltkonstanten verbundene Problem verstanden und erklärt ist.

Eine Analyse der Dimensionen physikalischer Konstanten führt zu dem Verständnis, dass sie eine sehr wichtige Rolle bei der Konstruktion individueller physikalischer Theorien spielen. Wenn wir jedoch versuchen, eine einheitliche theoretische Beschreibung aller physikalischen Prozesse zu schaffen, dh also ein einheitliches wissenschaftliches Weltbild von der Mikro- bis zur Makroebene zu formulieren, dann sollte die Hauptbestimmungsrolle dabei die sein dimensionslos, dh "wahr" Welt, Konstanten. Dies sind die Konstanten der Hauptwechselwirkungen.

Gravitationswechselwirkungskonstante:

Elektromagnetische Wechselwirkungskonstante:

.

Starke Wechselwirkungskonstante:

,

wo - Farbladung (Index "s" vom englischen Wort "strong" - stark.)

Schwache Wechselwirkungskonstante:

,

wo g~ 1,4 10 -62 J m 3 - Fermi-Konstante.(Der Index „w“ vom englischen Wort „weak“ ist schwach.) Beachten Sie, dass die Dimensionskonstante der Gravitationswechselwirkung von I. Newton selbst erhalten wurde: g~ 6,67 10 -11 m 3 s 2 kg -1.

Es ist bekannt, dass dieses Gesetz der universellen Gravitation nicht beweisbar ist, da es durch Verallgemeinerung experimenteller Tatsachen erhalten wurde. Darüber hinaus kann ihre absolute Gültigkeit nicht garantiert werden, bis der Mechanismus der Schwerkraft selbst klar ist. Die elektromagnetische Wechselwirkungskonstante ist für die Umwandlung geladener Teilchen in dieselben Teilchen verantwortlich, jedoch mit einer Änderung ihrer Bewegungsgeschwindigkeit und dem Auftreten eines zusätzlichen Teilchens - eines Photons. Starke und schwache Wechselwirkungen manifestieren sich in den Prozessen des Mikrokosmos, wo Umwandlungen von Teilchen möglich sind. Daher ist die starke Wechselwirkung konstant bestimmt quantitativ die Wechselwirkungen von Baryonen. Schwache Wechselwirkungskonstante hängt mit der Intensität von Umwandlungen von Elementarteilchen unter Beteiligung von Neutrinos und Antineutrinos zusammen.

Es wird angenommen, dass alle vier Arten von Wechselwirkungen und ihre Konstanten die aktuelle Struktur und Existenz des Universums bestimmen. Also, Gravitation – hält Planeten in ihren Umlaufbahnen und Körpern auf der Erde. Elektromagnetisch - hält Elektronen in Atomen und verbindet sie zu Molekülen, aus denen wir selbst bestehen. Schwach - sorgt für ein langfristiges "Verbrennen" von Sternen und der Sonne, das Energie für den Fluss aller Lebensprozesse auf der Erde liefert. Die starke Wechselwirkung sorgt für die stabile Existenz der meisten Atomkerne. Die theoretische Physik zeigt, dass eine Änderung der Zahlenwerte dieser oder anderer Konstanten zur Zerstörung der Stabilität eines oder mehrerer Strukturelemente des Universums führt. Zum Beispiel eine Zunahme der Masse eines Elektrons m 0 von ~ 0,5 MeV bis 0,9 MeV stören das Energiegleichgewicht bei der Deuteriumbildungsreaktion im Sonnenzyklus und führen zur Destabilisierung stabiler Atome und Isotope. Deuterium ist ein Wasserstoffatom, das aus einem Proton und einem Neutron besteht. Dies ist "schwerer" Wasserstoff mit A = 2 (Tritium hat A = 3.) nur 40% würden dazu führen, dass Deuterium nicht stabil wäre. Die Zunahme wird das Biproton stabil machen, was in den frühen Stadien der Evolution des Universums zum Ausbrennen von Wasserstoff führen wird. Konstante variiert innerhalb von 1/170< < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение würde zu einer Verkürzung der Lebensdauer freier Neutronen führen. Das bedeutet, dass sich im frühen Stadium des Universums kein Helium gebildet hätte und es keine Fusionsreaktion von α-Teilchen während der Synthese von Kohlenstoff 3α gegeben hätte -> 12C. Dann gäbe es statt unseres Kohlenstoffs ein Wasserstoffuniversum. Verkleinern würde dazu führen, dass alle Protonen in α-Teilchen gebunden wären (Helium-Universum).

In der modernen Naturwissenschaft geht man davon aus, dass die Weltkonstanten ab dem Zeitpunkt 10 -35 s nach der Geburt des Universums stabil sind und dass es somit in unserem Universum sozusagen eine sehr genaue gibt „Anpassen“ der Zahlenwerte der Weltkonstanten, die die notwendigen Werte für die Existenz von Kernen, Atomen, Sternen und Galaxien bestimmen. Der Ursprung und die Existenz einer solchen Situation ist nicht klar. Eine solche „Anpassung“ (die Konstanten sind genau das, was sie sind!) schafft die Bedingungen für die Existenz nicht nur komplexer anorganischer, organischer, sondern auch lebender Organismen, einschließlich des Menschen. P. Dirac äußerte die Idee einer gemeinsamen zeitlichen Änderung von Grundkonstanten. Im Allgemeinen können wir davon ausgehen, dass die Vielfalt und Einheit der physischen Welt, ihre Ordnung und Harmonie, Vorhersagbarkeit und Wiederholung durch ein System weniger fundamentaler Konstanten geformt und kontrolliert werden.