Konstanta fundamental alam semesta. Konstanta fisika fundamental baru Pengenalan metode nuklir

konstanta interaksi

Bahan dari ensiklopedia Rusia gratis "Tradisi"

konstanta interaksi(terkadang istilah kopling konstan) adalah parameter dalam teori medan yang menentukan kekuatan relatif dari setiap interaksi antara partikel atau medan. Dalam teori medan kuantum, konstanta interaksi dikaitkan dengan simpul dalam diagram interaksi yang sesuai. Sebagai konstanta interaksi, baik parameter tak berdimensi dan kuantitas terkait yang mencirikan interaksi dan berdimensi digunakan. Contohnya adalah interaksi elektromagnetik tak berdimensi dan listrik, diukur dalam C.

Perbandingan interaksi

Jika kita memilih objek yang berpartisipasi dalam keempat interaksi mendasar, maka nilai konstanta interaksi tak berdimensi objek ini, yang ditemukan oleh aturan umum, akan menunjukkan kekuatan relatif dari interaksi ini. Proton paling sering digunakan sebagai objek seperti itu pada tingkat partikel elementer. Energi dasar untuk membandingkan interaksi adalah energi elektromagnetik foton, menurut definisi sama dengan:

dimana - , - kecepatan cahaya, - panjang gelombang foton. Pilihan energi foton bukanlah kebetulan, karena sains modern didasarkan pada representasi gelombang berdasarkan gelombang elektromagnetik. Dengan bantuan mereka, semua pengukuran dasar dibuat - panjang, waktu, dan termasuk energi.

Interaksi gravitasi

Interaksi lemah

Energi yang terkait dengan interaksi lemah dapat direpresentasikan dalam bentuk berikut:

di mana adalah muatan efektif dari interaksi lemah, adalah massa partikel virtual yang dianggap sebagai pembawa interaksi lemah (boson W dan Z).

Kuadrat muatan efektif interaksi lemah proton dinyatakan dalam konstanta Fermi J m 3 dan massa proton:

Pada jarak yang cukup kecil, eksponensial energi interaksi lemah dapat diabaikan. Dalam hal ini, konstanta interaksi lemah tak berdimensi didefinisikan sebagai berikut:

Interaksi elektromagnetik

Interaksi elektromagnetik dari dua proton yang tidak bergerak dijelaskan oleh energi elektrostatik:

di mana - , - .

Rasio energi ini dengan energi foton menentukan konstanta interaksi elektromagnetik, yang dikenal sebagai:

Interaksi yang kuat

Pada tingkat hadron dalam Model Standar fisika partikel, dianggap sebagai interaksi "sisa" yang masuk ke dalam hadron. Diasumsikan bahwa gluon, sebagai pembawa interaksi yang kuat, menghasilkan meson virtual di ruang antara hadron. Dalam model Yukawa pion-nukleon, gaya nuklir antara nukleon dijelaskan sebagai hasil pertukaran pion virtual, dan energi interaksi memiliki bentuk berikut:

di mana adalah muatan efektif dari interaksi pion-nukleon pseudoscalar, adalah massa pion.

Konstanta interaksi kuat tak berdimensi adalah:

Konstanta dalam teori medan kuantum

Efek interaksi dalam teori medan sering didefinisikan menggunakan teori gangguan, di mana fungsi dalam persamaan diperluas dalam pangkat konstanta interaksi. Biasanya, untuk semua interaksi, kecuali yang kuat, konstanta interaksi jauh lebih kecil daripada kesatuan. Hal ini membuat penerapan teori gangguan menjadi efisien, karena kontribusi dari suku-suku yang lebih tinggi dari pemuaian berkurang dengan cepat dan perhitungannya menjadi tidak diperlukan. Dalam kasus interaksi yang kuat, teori gangguan menjadi tidak cocok dan metode perhitungan lainnya diperlukan.

Salah satu prediksi teori medan kuantum adalah apa yang disebut efek "konstanta mengambang", yang menurutnya konstanta interaksi berubah perlahan dengan meningkatnya energi yang ditransfer selama interaksi partikel. Jadi, konstanta interaksi elektromagnetik meningkat, dan konstanta interaksi kuat berkurang dengan meningkatnya energi. Quark dalam kromodinamika kuantum memiliki konstanta interaksi kuatnya sendiri:

di mana adalah muatan warna efektif dari sebuah quark yang memancarkan gluon virtual untuk berinteraksi dengan quark lain. Dengan penurunan jarak antara quark, dicapai dalam tumbukan partikel dengan energi tinggi, penurunan logaritmik dan melemahnya interaksi kuat (efek kebebasan asimtotik quark) diharapkan. Pada skala energi yang ditransfer dari orde energi massa Z-boson (91,19 GeV) ditemukan bahwa Pada skala energi yang sama, konstanta interaksi elektromagnetik meningkat ke nilai pada orde 1/127 bukannya 1/137 pada energi rendah. Diasumsikan bahwa pada energi yang lebih tinggi, sekitar 10 18 GeV, nilai konstanta interaksi partikel gravitasi, lemah, elektromagnetik, dan kuat akan mendekati dan bahkan dapat menjadi kira-kira sama satu sama lain.

Konstanta dalam teori lain

teori string

Dalam teori string, konstanta interaksi tidak dianggap sebagai konstanta, tetapi bersifat dinamis. Secara khusus, teori yang sama pada energi rendah terlihat seperti senar bergerak dalam sepuluh dimensi, dan pada energi tinggi - dalam sebelas. Perubahan jumlah pengukuran disertai dengan perubahan konstanta interaksi.

gravitasi yang kuat

Bersama-sama dengan dan gaya elektromagnetik dianggap sebagai komponen utama dari interaksi kuat di . Dalam model ini, alih-alih mempertimbangkan interaksi quark dan gluon, hanya dua medan fundamental yang diperhitungkan - gravitasi dan elektromagnetik, yang bekerja dalam materi partikel elementer yang bermuatan dan bermassa, serta di ruang di antara keduanya. Pada saat yang sama, quark dan gluon dianggap bukan partikel nyata, tetapi quasipartikel, yang mencerminkan sifat kuantum dan simetri yang melekat pada materi hadron. Pendekatan ini secara drastis mengurangi rekor jumlah teori fisika yang sebenarnya tidak berdasar, tetapi mendalilkan parameter bebas dalam model standar fisika partikel elementer, di mana setidaknya ada 19 parameter seperti itu.

Akibat lainnya adalah interaksi lemah dan kuat tidak dianggap sebagai interaksi medan yang berdiri sendiri. Interaksi yang kuat direduksi menjadi kombinasi gaya gravitasi dan elektromagnetik, di mana efek penundaan interaksi (medan torsi dipol dan orbital dan gaya magnet) memainkan peran penting. Dengan demikian, konstanta interaksi kuat ditentukan dengan analogi dengan konstanta interaksi gravitasi:

Hal ini berguna untuk memahami konstanta mana yang fundamental secara umum. Ambil contoh, kecepatan cahaya. Fakta bahwa itu terbatas adalah fundamental, bukan artinya. Dalam artian kita sudah menentukan jarak dan waktu sehingga seperti itu. Di unit lain, itu akan berbeda.

Lalu apa yang mendasar? Rasio tak berdimensi dan gaya interaksi karakteristik, yang dijelaskan oleh konstanta interaksi tak berdimensi. Secara kasar, konstanta interaksi mencirikan probabilitas beberapa proses. Misalnya, konstanta elektromagnetik mencirikan dengan probabilitas apa elektron akan menyebar pada proton.

Mari kita lihat bagaimana kita dapat membangun kuantitas dimensional secara logis. Anda dapat memasukkan rasio massa proton dan elektron dan konstanta spesifik dari interaksi elektromagnetik. Atom akan muncul di alam semesta kita. Anda dapat mengambil transisi atom tertentu dan mengambil frekuensi cahaya yang dipancarkan dan mengukur segala sesuatu dalam periode osilasi cahaya. Berikut adalah satuan waktu. Cahaya selama ini akan terbang beberapa jarak, jadi kita mendapatkan satuan jarak. Sebuah foton dengan frekuensi seperti itu memiliki beberapa jenis energi, satu unit energi ternyata. Dan kemudian kekuatan interaksi elektromagnetik sedemikian rupa sehingga ukuran atom begitu banyak di unit baru kita. Kami mengukur jarak sebagai rasio waktu penerbangan cahaya melalui atom dengan periode osilasi. Nilai ini hanya bergantung pada kekuatan interaksi. Jika sekarang kita mendefinisikan kecepatan cahaya sebagai rasio ukuran atom dengan periode osilasi, kita mendapatkan angka, tetapi itu tidak mendasar. Yang kedua dan meteran adalah skala karakteristik waktu dan jarak bagi kita. Di dalamnya, kami mengukur kecepatan cahaya, tetapi nilai spesifiknya tidak membawa makna fisik.

Eksperimen pikiran, biarkan ada alam semesta lain, di mana meterannya persis dua kali lebih besar dari kita, tetapi semua konstanta dan hubungan fundamentalnya sama. Kemudian interaksi akan memakan waktu dua kali lebih lama untuk menyebar, dan makhluk seperti manusia akan merasakan satu detik dengan setengah kecepatan. Tentu saja mereka tidak merasakannya. Ketika mereka mengukur kecepatan cahaya, mereka akan mendapatkan nilai yang sama dengan kita. Karena mereka mengukur dalam meter dan detik karakteristik mereka.

Oleh karena itu, fisikawan tidak mementingkan fakta bahwa kecepatan cahaya adalah 300.000 km/s. Dan konstanta interaksi elektromagnetik, yang disebut konstanta struktur halus (kira-kira 1/137) dilampirkan.

Selain itu, tentu saja, konstanta interaksi fundamental (elektromagnetisme, interaksi kuat dan lemah, gravitasi) yang terkait dengan proses yang sesuai bergantung pada energi proses ini. Interaksi elektromagnetik pada skala energi orde massa elektron adalah satu, dan pada skala orde massa Higgs boson berbeda, lebih tinggi. Kekuatan interaksi elektromagnetik tumbuh dengan energi. Tetapi bagaimana konstanta interaksi berubah dengan energi dapat dihitung dengan mengetahui jenis partikel yang kita miliki dan rasio propertinya.

Oleh karena itu, untuk sepenuhnya menggambarkan interaksi mendasar pada tingkat pemahaman kita, cukup untuk mengetahui himpunan partikel apa yang kita miliki, rasio massa partikel elementer, konstanta interaksi pada satu skala, misalnya, pada skala skala massa elektron, dan rasio gaya yang dengannya setiap partikel berinteraksi interaksi ini, dalam kasus elektromagnetik ini sesuai dengan rasio muatan (muatan proton sama dengan muatan elektron, karena gaya interaksi suatu elektron dengan elektron bertepatan dengan gaya interaksi elektron dengan proton, jika dua kali lebih besar, maka gaya akan menjadi dua kali lebih besar , gaya diukur, saya ulangi, dalam probabilitas tak berdimensi). Pertanyaannya adalah mengapa mereka demikian.

Semuanya tidak jelas di sini. Beberapa ilmuwan percaya bahwa teori yang lebih mendasar akan muncul dari mana ia akan mengikuti bagaimana massa, muatan, dan sebagainya terkait. Yang terakhir, dalam arti tertentu, dijawab oleh teori-teori besar yang bersatu. Beberapa orang percaya bahwa prinsip antropik sedang bekerja. Artinya, jika konstanta fundamental berbeda, kita tidak akan ada di alam semesta seperti itu.

"Golden fret" - konstanta, menurut definisi! Penulis A. A. Korneev 22 Mei 2007

© Alexey A. Korneev

"Golden fret" - konstanta, menurut definisi!

Seperti yang dilaporkan di situs web "Academy of Trinitarianism" mengenai artikel penulis yang diterbitkan di sana, ia disajikan dengan formula umum untuk ketergantungan yang diidentifikasi (1) dan konstanta baru "L» :

(1: Nn) x FM = L(1)

... Akibatnya, fraksi sederhana ditentukan dan dihitung, sesuai dengan nilai kebalikan dari parameter "L", yang diusulkan untuk disebut konstanta "retak emas"

"L" = 1/12.984705 = 1/13 (dengan akurasi tidak lebih buruk dari 1,52%).

Dalam ulasan dan komentar (untuk artikel yang ditentukan), keraguan diungkapkan bahwa turunan dari rumus (1)

nomor "L» adalah KONSTAN.

Artikel ini berisi jawaban atas keraguan yang diungkapkan.

Dalam rumus (1) kita berhadapan dengan persamaan di mana parameternya didefinisikan sebagai berikut:

n - salah satu nomor seri Fibonacci (kecuali yang pertama).

n- nomor seri suatu angka dari deret Fibonacci, dimulai dari angka pertama.

M- indikator numerik tingkat indeks (batas) nomor seri Fibonacci.

L - nilai konstan tertentu dalam semua perhitungan sesuai dengan rumus (1):L =1/13;

F– indeks (batas) nomor seri Fibonacci (Ф = 1.61803369…)

Dalam rumus (1), variabel (berubah selama perhitungan!) Parameter adalah nilai besaran tertentu " n» Dan "M».

Oleh karena itu, sah-sah saja menuliskan rumus (1) dalam bentuk yang paling umum sebagai berikut:

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

Dari mana berikut bahwa:F(M) : F(n) = L = konstanta.

Selalu!

Pekerjaan penelitian, yaitu data hitung Tabel 1, menunjukkan bahwa untuk rumus (1) nilai numerik parameter variabel ternyata saling berhubungan sesuai aturan: M = (n – 7 ).

Dan rasio numerik parameter ini "M» Dan "n» juga tetap tidak berubah.

Mempertimbangkan yang terakhir (atau tanpa memperhitungkan koneksi parameter ini "M» Dan "n» ), tetapi persamaan (1) dan (2) adalah (menurut definisi) persamaan aljabar.

Dalam persamaan ini, sesuai dengan semua aturan matematika yang ada (lihat di bawah salinan hal. 272 ​​dari Buku Pegangan Matematika), semua komponen persamaan tersebut memiliki nama yang tidak ambigu (interpretasi konsep).

Di bawah, pada Gbr.1 adalah salinan halaman dari " Buku Pegangan Matematika ».

Gambar 1

Moskow. Mei 2007

Tentang konstanta (untuk referensi)

/ kutipan dari berbagai sumber /

Konstanta matematika

<….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.

Pendekatan ini tidak berlaku untuk matematika simbolik. Misalnya, untuk menentukan identitas matematika sedemikian rupa sehingga logaritma natural dari konstanta Euler e tepat 1, konstanta tersebut harus memiliki presisi mutlak. …>.

<….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. …>.

Konstanta Dunia

<….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. …>.

Konstanta fisik

<….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 tiga konstanta fisika dasar: kecepatan cahaya, konstanta Planck, dan muatan elektron.

Nilai konstanta struktur halus adalah salah satu dasar prinsip antropik dalam fisika dan filsafat: Alam Semesta sedemikian rupa sehingga kita dapat eksis dan mempelajarinya. Angka A, bersama dengan konstanta struktur halus ±, memungkinkan untuk memperoleh konstanta fundamental tak berdimensi penting yang tidak dapat diperoleh dengan cara lain. …>.

<….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 : …>.

Konstanta Medis

<….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. …>.

BUKAN KONSTAN

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

Ini adalah angka acak yang bergantung pada banyak faktor, misalnya, pada fakta bahwa 1/40000 meridian diambil sebagai meter. Akan membutuhkan satu menit busur - akan ada jumlah percepatan gravitasi yang berbeda.

Selain itu, angka ini juga berbeda (di berbagai belahan dunia atau planet lain), yaitu bukan konstanta …>.

Betapa anehnya dunia jika konstanta fisik bisa berubah! Misalnya, yang disebut konstanta struktur halus kira-kira sama dengan 1/137. Jika memiliki nilai yang berbeda, maka mungkin tidak akan ada perbedaan antara materi dan energi.

Ada hal-hal yang tidak pernah berubah. Para ilmuwan menyebutnya konstanta fisik, atau konstanta dunia. Dipercaya bahwa kecepatan cahaya $c$, konstanta gravitasi $G$, massa elektron $m_e$ dan beberapa kuantitas lainnya selalu dan di mana-mana tetap tidak berubah. Mereka membentuk dasar yang menjadi dasar teori fisika dan menentukan struktur alam semesta.

Fisikawan bekerja keras untuk mengukur konstanta dunia dengan akurasi yang semakin tinggi, tetapi belum ada yang bisa menjelaskan dengan cara apa pun mengapa nilai-nilai mereka seperti itu. Dalam sistem SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6.673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9.10938188\cdot10^( - 31) $ kg - jumlah yang sama sekali tidak terkait yang hanya memiliki satu sifat umum: jika mereka berubah setidaknya sedikit, dan keberadaan struktur atom kompleks, termasuk organisme hidup, akan dipertanyakan. Keinginan untuk membenarkan nilai-nilai konstanta menjadi salah satu insentif untuk pengembangan teori terpadu yang sepenuhnya menggambarkan semua fenomena yang ada. Dengan bantuannya, para ilmuwan berharap untuk menunjukkan bahwa setiap konstanta dunia hanya dapat memiliki satu nilai yang mungkin, karena mekanisme internal yang menentukan kesewenang-wenangan yang menipu dari alam.

Kandidat terbaik untuk judul teori terpadu adalah teori-M (varian dari teori string), yang dapat dianggap konsisten jika Semesta tidak memiliki empat dimensi ruang-waktu, tetapi sebelas. Oleh karena itu, konstanta yang kita amati mungkin tidak benar-benar fundamental. Konstanta sejati ada di ruang multidimensi penuh, dan kita hanya melihat "siluet" tiga dimensinya.

IKHTISAR: KONSTAN DUNIA

1. Dalam banyak persamaan fisika, ada kuantitas yang dianggap konstan di mana-mana - dalam ruang dan waktu.

2. Baru-baru ini, para ilmuwan meragukan keteguhan konstanta dunia. Membandingkan hasil pengamatan quasar dan pengukuran laboratorium, mereka sampai pada kesimpulan bahwa unsur-unsur kimia di masa lalu yang jauh menyerap cahaya secara berbeda dari yang mereka lakukan hari ini. Perbedaannya dapat dijelaskan dengan perubahan sepersejuta konstanta struktur halus.

3. Konfirmasi bahkan perubahan kecil seperti itu akan menjadi revolusi nyata dalam sains. Konstanta yang diamati dapat berubah menjadi hanya "siluet" dari konstanta sebenarnya yang ada dalam ruang-waktu multidimensi.

Sementara itu, fisikawan telah sampai pada kesimpulan bahwa nilai dari banyak konstanta dapat merupakan hasil dari peristiwa acak dan interaksi antara partikel elementer pada tahap awal sejarah alam semesta. Teori string memungkinkan keberadaan dunia dalam jumlah besar ($10^(500)$) dengan serangkaian hukum dan konstanta yang konsisten sendiri ( lihat Landscape of String Theory, In the World of Science, No. 12, 2004.). Sejauh ini, para ilmuwan tidak tahu mengapa kombinasi kami dipilih. Mungkin, sebagai hasil dari penelitian lebih lanjut, jumlah dunia yang mungkin secara logis akan berkurang menjadi satu, tetapi ada kemungkinan bahwa Semesta kita hanya sebagian kecil dari multiverse, di mana berbagai solusi persamaan teori terpadu diterapkan, dan kami mengamati hanya salah satu varian dari hukum alam ( lihat Alam Semesta Paralel, Di Dunia Sains, No. 8, 2003). Dalam hal ini, untuk banyak konstanta dunia tidak ada penjelasan, kecuali bahwa mereka merupakan kombinasi langka yang memungkinkan pengembangan kesadaran. Mungkin alam semesta yang kita amati telah menjadi salah satu dari banyak oasis terisolasi yang dikelilingi oleh ruang luar tak bernyawa yang tak terhingga - tempat surealis di mana kekuatan alam benar-benar asing bagi kita mendominasi, dan partikel seperti elektron dan struktur seperti atom karbon dan molekul DNA sama sekali tidak mungkin. Mencoba untuk sampai ke sana akan berakibat fatal.

Teori string juga dikembangkan untuk menjelaskan kesewenang-wenangan yang tampak dari konstanta fisik, sehingga persamaan dasarnya hanya berisi beberapa parameter arbitrer. Namun sejauh ini tidak menjelaskan nilai konstanta yang diamati.

Penguasa yang andal

Padahal, penggunaan kata "konstan" tidak sepenuhnya sah. Konstanta kita bisa berubah dalam ruang dan waktu. Jika dimensi spasial ekstra berubah dalam ukuran, konstanta di dunia tiga dimensi kita akan berubah dengan mereka. Dan jika kita melihat cukup jauh ke luar angkasa, kita dapat melihat area di mana konstanta memiliki nilai yang berbeda. Sejak tahun 1930-an ilmuwan telah berspekulasi bahwa konstanta mungkin tidak konstan. Teori string memberikan ide ini secara teoretis masuk akal dan membuat pencarian akan ketidakkekalan menjadi semakin penting.

Masalah pertama adalah bahwa pengaturan laboratorium itu sendiri dapat sensitif terhadap perubahan konstanta. Ukuran semua atom bisa bertambah, tetapi jika penggaris yang digunakan untuk pengukuran juga menjadi lebih panjang, tidak ada yang bisa dikatakan tentang perubahan ukuran atom. Eksperimen biasanya berasumsi bahwa standar pengukuran (penggaris, timbangan, jam) tidak berubah, tetapi ini tidak dapat dicapai saat memeriksa konstanta. Peneliti harus memperhatikan konstanta tak berdimensi - hanya angka yang tidak bergantung pada sistem satuan, misalnya, rasio massa proton dengan massa elektron.

Apakah struktur internal alam semesta berubah?

Yang menarik adalah kuantitas $\alpha = e^2/2\epsilon_0 hc$, yang menggabungkan kecepatan cahaya $c$, muatan listrik elektron $e$, konstanta Planck $h$, dan disebut konstanta dielektrik vakum $\epsilon_0$. Ini disebut konstanta struktur halus. Ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1916 oleh Arnold Sommerfeld, yang merupakan salah satu orang pertama yang mencoba menerapkan mekanika kuantum pada elektromagnetisme: $\alpha$ menghubungkan karakteristik relativistik (c) dan kuantum (h) dari interaksi elektromagnetik (e) yang melibatkan partikel bermuatan di ruang kosong ($\epsilon_0$). Pengukuran telah menunjukkan bahwa nilai ini adalah 1/137.03599976 (sekitar 1/137).

Jika $\alpha $ memiliki arti yang berbeda, maka seluruh dunia akan berubah. Jika lebih kecil, kerapatan zat padat yang terdiri dari atom akan berkurang (sebanding dengan $\alpha^3 $), ikatan molekul akan putus pada suhu yang lebih rendah ($\alpha^2 $), dan jumlah elemen stabil dalam tabel periodik bisa meningkat ($1/\alpha $). Jika $\alpha $ ternyata terlalu besar, inti atom kecil tidak akan ada, karena gaya nuklir yang mengikatnya tidak akan mampu mencegah gaya tolak menolak proton. Untuk $\alpha >0.1 $ karbon tidak bisa ada.

Reaksi nuklir di bintang sangat sensitif terhadap $\alpha $. Agar fusi nuklir terjadi, gravitasi bintang harus menciptakan suhu yang cukup tinggi untuk menyebabkan inti-inti bergerak lebih dekat, meskipun mereka cenderung saling tolak. Jika $\alpha $ lebih besar dari 0,1, maka fusi tidak mungkin terjadi (kecuali, tentu saja, parameter lain, seperti rasio massa elektron dan proton, tetap sama). Perubahan $\alpha$ hanya sebesar 4% akan mempengaruhi tingkat energi di inti karbon sedemikian rupa sehingga kemunculannya di bintang akan berhenti begitu saja.

Implementasi teknik nuklir

Masalah eksperimental kedua yang lebih serius adalah bahwa mengukur perubahan konstanta membutuhkan peralatan presisi tinggi, yang harus sangat stabil. Bahkan dengan jam atom, penyimpangan konstanta struktur halus hanya dapat dilacak selama beberapa tahun. Jika $\alpha $ berubah lebih dari 4 $\cdot$ $10^(–15)$ dalam tiga tahun, jam yang paling akurat akan dapat mendeteksi ini. Namun, hal semacam itu belum tercatat. Tampaknya, mengapa tidak konfirmasi keteguhan? Tapi tiga tahun untuk luar angkasa adalah sekejap. Perubahan yang lambat namun signifikan dalam sejarah alam semesta mungkin luput dari perhatian.

STRUKTUR HALUS RINGAN DAN PERMANEN

Untungnya, fisikawan telah menemukan cara lain untuk memeriksanya. Pada tahun 1970-an Para ilmuwan dari Komisi Energi Atom Prancis melihat beberapa fitur dalam komposisi isotop bijih dari tambang uranium di Oklo di Gabon (Afrika Barat): mirip dengan limbah reaktor nuklir. Rupanya, sekitar 2 miliar tahun yang lalu, sebuah reaktor nuklir alami terbentuk di Oklo ( lihat Divine Reactor, In the World of Science, No. 1, 2004).

Pada tahun 1976, Alexander Shlyakhter dari Institut Fisika Nuklir Leningrad mengamati bahwa kinerja reaktor alami sangat bergantung pada energi yang tepat dari keadaan spesifik inti samarium yang menangkap neutron. Dan energi itu sendiri sangat terkait dengan nilai $\alpha $. Jadi, jika konstanta struktur halus sedikit berbeda, tidak mungkin terjadi reaksi berantai. Tapi itu benar-benar terjadi, yang berarti bahwa selama 2 miliar tahun terakhir konstanta tidak berubah lebih dari 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Fisikawan terus berdebat tentang hasil kuantitatif yang tepat karena ketidakpastian yang tak terhindarkan tentang kondisi dalam reaktor alami.)

Pada tahun 1962, P. James E. Peebles dan Robert Dicke dari Universitas Princeton adalah orang pertama yang menerapkan analisis semacam itu pada meteorit purba: kelimpahan relatif isotop yang dihasilkan dari peluruhan radioaktifnya bergantung pada $\alpha $. Batasan yang paling sensitif dikaitkan dengan peluruhan beta dalam konversi renium menjadi osmium. Menurut karya terbaru Keith Olive dari University of Minnesota dan Maxim Pospelov dari University of Victoria di British Columbia, $\alpha$ berbeda dari nilainya saat ini sebesar 2 $\cdot$ $10^ pada saat meteorit terbentuk. (– 6)$. Hasil ini kurang akurat dibandingkan data Oklo, tetapi lebih jauh ke masa lalu, ke asal usul tata surya 4,6 miliar tahun yang lalu.

Untuk mengeksplorasi kemungkinan perubahan selama periode waktu yang lebih lama, peneliti harus melihat ke langit. Cahaya dari objek astronomi yang jauh masuk ke teleskop kita selama miliaran tahun dan memiliki jejak hukum dan konstanta dunia saat itu baru saja memulai perjalanan dan interaksinya dengan materi.

Garis spektrum

Para astronom terlibat dalam cerita konstanta tak lama setelah penemuan quasar pada tahun 1965, yang baru saja ditemukan dan diidentifikasi sebagai sumber cahaya terang yang terletak pada jarak yang sangat jauh dari Bumi. Karena jalur cahaya dari quasar ke kita begitu panjang, ia pasti melintasi lingkungan gas galaksi muda. Gas menyerap cahaya quasar pada frekuensi tertentu, mencetak barcode garis sempit di seluruh spektrumnya (lihat kotak di bawah).

MENCARI PERUBAHAN RADIASI QUASAR

Ketika gas menyerap cahaya, elektron yang terkandung dalam atom melompat dari tingkat energi yang lebih rendah ke yang lebih tinggi. Tingkat energi ditentukan oleh seberapa kuat inti atom menahan elektron, yang bergantung pada kekuatan interaksi elektromagnetik di antara mereka dan, oleh karena itu, pada konstanta struktur halus. Jika berbeda pada saat cahaya diserap, atau di beberapa wilayah alam semesta tertentu di mana itu terjadi, maka energi yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron ke tingkat yang baru, dan panjang gelombang transisi yang diamati dalam spektrum, seharusnya berbeda dari yang diamati hari ini dalam eksperimen laboratorium. Sifat perubahan panjang gelombang sangat tergantung pada distribusi elektron dalam orbit atom. Untuk perubahan tertentu dalam $\alpha$, beberapa panjang gelombang berkurang, sementara yang lain meningkat. Pola efek yang kompleks sulit dikacaukan dengan kesalahan kalibrasi data, yang membuat eksperimen semacam itu sangat berguna.

Ketika kami mulai bekerja tujuh tahun lalu, kami menghadapi dua masalah. Pertama, panjang gelombang banyak garis spektral belum diukur dengan akurasi yang memadai. Anehnya, para ilmuwan tahu lebih banyak tentang spektrum quasar yang jaraknya miliaran tahun cahaya daripada spektrum sampel terestrial. Kami membutuhkan pengukuran laboratorium presisi tinggi untuk membandingkan spektrum quasar dengan mereka, dan kami meyakinkan para peneliti untuk melakukan pengukuran yang sesuai. Mereka dilakukan oleh Anne Thorne dan Juliet Pickering dari Imperial College London, dan kemudian oleh tim yang dipimpin oleh Sveneric Johansson dari Observatorium Lund di Swedia, dan oleh Ulf Griesmann dan Rainer Kling (Rainer Kling) dari Institut Nasional Standar dan Teknologi di Maryland.

Masalah kedua adalah bahwa pengamat sebelumnya menggunakan apa yang disebut doublet basa, pasangan garis absorpsi yang muncul dalam gas atom karbon atau silikon. Mereka membandingkan interval antara garis-garis ini dalam spektrum quasar dengan pengukuran laboratorium. Namun, metode ini tidak mengizinkan satu fenomena khusus untuk dieksploitasi: variasi $\alpha $ menyebabkan tidak hanya perubahan interval antara tingkat energi atom relatif terhadap tingkat energi terendah (keadaan dasar), tetapi juga perubahan posisi dari ground state itu sendiri. Faktanya, efek kedua bahkan lebih kuat dari yang pertama. Akibatnya, akurasi pengamatan hanya 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

Pada tahun 1999, salah satu penulis makalah (Web) dan Victor V. Flambaum dari Universitas New South Wales di Australia mengembangkan teknik untuk memperhitungkan kedua efek tersebut. Hasilnya, sensitivitasnya meningkat 10 kali lipat. Selain itu, menjadi mungkin untuk membandingkan berbagai jenis atom (misalnya, magnesium dan besi) dan melakukan pemeriksaan silang tambahan. Perhitungan rumit harus dilakukan untuk menetapkan dengan tepat bagaimana panjang gelombang yang diamati bervariasi dalam berbagai jenis atom. Berbekal teleskop dan sensor tercanggih, kami memutuskan untuk menguji kegigihan $\alpha$ dengan akurasi yang belum pernah ada sebelumnya menggunakan metode baru dari banyak kelipatan.

Revisi tampilan

Ketika kami memulai eksperimen, kami hanya ingin menetapkan dengan akurasi yang lebih besar bahwa nilai konstanta struktur halus di zaman dahulu sama dengan sekarang. Yang mengejutkan kami, hasil yang diperoleh pada tahun 1999 menunjukkan perbedaan kecil namun signifikan secara statistik, yang kemudian dikonfirmasi. Menggunakan data dari 128 jalur penyerapan quasar, kami mencatat peningkatan $\alpha$ sebesar 6 $\cdot$ $10^(–6)$ selama 6–12 miliar tahun terakhir.

Hasil pengukuran konstanta struktur halus tidak memungkinkan kita untuk menarik kesimpulan akhir. Beberapa dari mereka menunjukkan bahwa dulunya lebih kecil dari sekarang, dan beberapa tidak. Mungkin telah berubah di masa lalu, tetapi sekarang telah menjadi konstan. (Kotak mewakili rentang data.)

Klaim yang berani membutuhkan bukti yang kuat, jadi langkah pertama kami adalah meninjau dengan cermat metode pengumpulan dan analisis data kami. Kesalahan pengukuran dapat dibagi menjadi dua jenis: sistematis dan acak. Dengan ketidakakuratan acak, semuanya sederhana. Dalam setiap pengukuran individu, mereka mengambil nilai yang berbeda, yang, dengan sejumlah besar pengukuran, dirata-ratakan dan cenderung nol. Kesalahan sistematis yang tidak dirata-ratakan lebih sulit untuk ditangani. Dalam astronomi, ketidakpastian semacam ini ditemui di setiap kesempatan. Dalam eksperimen laboratorium, instrumen dapat disetel untuk meminimalkan kesalahan, tetapi para astronom tidak dapat "menyetel" alam semesta, dan mereka harus mengakui bahwa semua metode pengumpulan data mereka mengandung bias bawaan. Misalnya, distribusi spasial galaksi yang diamati sangat bias terhadap galaksi terang karena lebih mudah diamati. Mengidentifikasi dan menetralisir pergeseran tersebut merupakan tantangan konstan bagi pengamat.

Pertama, kami menarik perhatian pada kemungkinan distorsi skala panjang gelombang, relatif terhadap garis spektral quasar yang diukur. Itu bisa muncul, misalnya, selama pemrosesan "mentah" hasil pengamatan quasar menjadi spektrum yang dikalibrasi. Meskipun peregangan linier sederhana atau penyusutan skala panjang gelombang tidak dapat secara akurat meniru perubahan $\alpha$, bahkan kemiripan perkiraan akan cukup untuk menjelaskan hasil. Secara bertahap, kami menghilangkan kesalahan sederhana yang terkait dengan distorsi dengan mengganti data kalibrasi alih-alih hasil pengamatan quasar.

Selama lebih dari dua tahun, kami telah menyelidiki berbagai penyebab bias untuk memastikan bahwa dampaknya dapat diabaikan. Kami hanya menemukan satu sumber potensial dari bug serius. Kita berbicara tentang garis penyerapan magnesium. Masing-masing dari tiga isotop stabilnya menyerap cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda, yang sangat dekat satu sama lain dan terlihat dalam spektrum quasar sebagai satu garis. Berdasarkan pengukuran laboratorium dari kelimpahan relatif isotop, peneliti menilai kontribusi masing-masing isotop. Distribusi mereka di alam semesta muda bisa sangat berbeda dari hari ini jika bintang-bintang yang memancarkan magnesium rata-rata lebih berat daripada rekan-rekan mereka hari ini. Perbedaan seperti itu bisa meniru perubahan dalam $\alpha$ Tapi hasil penelitian yang diterbitkan tahun ini menunjukkan bahwa fakta yang diamati tidak begitu mudah dijelaskan. Yeshe Fenner dan Brad K. Gibson dari Swinburne University of Technology di Australia dan Michael T. Murphy dari University of Cambridge menyimpulkan bahwa kelimpahan isotop yang diperlukan untuk meniru perubahan $\alpha$ juga akan menyebabkan sintesis nitrogen berlebih di awal Alam semesta, yang sama sekali tidak konsisten dengan pengamatan. Jadi kita harus hidup dengan kemungkinan bahwa $\alpha$ memang berubah.

KADANG BERUBAH, KADANG TIDAK

Menurut hipotesis yang diajukan oleh penulis artikel, dalam beberapa periode sejarah kosmik, konstanta struktur halus tetap tidak berubah, sementara di periode lain meningkat. Data eksperimen (lihat inset sebelumnya) konsisten dengan asumsi ini.

Komunitas ilmiah segera menghargai pentingnya hasil kami. Para peneliti spektrum quasar di seluruh dunia segera melakukan pengukuran. Pada tahun 2003, tim peneliti Sergei Levshakov (Sergei Levshakov) dari Institut Fisika dan Teknologi St. Petersburg. Ioffe dan Ralf Quast dari Universitas Hamburg telah mempelajari tiga sistem quasar baru. Tahun lalu, Hum Chand dan Raghunathan Srianand dari Pusat Antar Universitas untuk Astronomi dan Astrofisika di India, Patrick Petitjean dari Institut Astrofisika dan Bastien Aracil dari LERMA di Paris menganalisis 23 kasus lagi. Tidak ada grup yang menemukan perubahan pada $\alpha$. Chand berpendapat bahwa setiap perubahan antara 6 dan 10 miliar tahun yang lalu pasti kurang dari sepersejuta.

Mengapa metodologi serupa yang digunakan untuk menganalisis data sumber yang berbeda menyebabkan perbedaan yang begitu drastis? Jawabannya belum diketahui. Hasil yang diperoleh oleh para peneliti ini memiliki kualitas yang sangat baik, tetapi ukuran sampel mereka dan usia radiasi yang dianalisis secara signifikan lebih kecil daripada kita. Selain itu, Chand menggunakan versi sederhana dari metode multimultiplet dan tidak sepenuhnya mengevaluasi semua kesalahan eksperimental dan sistematis.

Ahli astrofisika terkenal John Bahcall dari Princeton telah mengkritik metode multimultiplet itu sendiri, tetapi masalah yang dia tunjukkan berada dalam kategori kesalahan acak, yang diminimalkan ketika sampel besar digunakan. Bacall, dan Jeffrey Newman dari National Laboratory. Lawrence di Berkeley menganggap garis emisi, bukan garis absorpsi. Pendekatan mereka kurang tepat, meskipun mungkin terbukti berguna di masa depan.

Reformasi legislatif

Jika hasil kami benar, konsekuensinya akan sangat besar. Sampai saat ini, semua upaya untuk memperkirakan apa yang akan terjadi pada Semesta jika konstanta struktur halus berubah tidak memuaskan. Mereka tidak melangkah lebih jauh dari mempertimbangkan $\alpha$ sebagai variabel dalam rumus yang sama yang diperoleh dengan asumsi bahwa itu konstan. Setuju, pendekatan yang sangat meragukan. Jika $\alpha $ berubah, maka energi dan momentum dalam efek yang terkait dengannya harus dilestarikan, yang seharusnya memengaruhi medan gravitasi di Semesta. Pada tahun 1982, Jacob D. Bekenstein dari Universitas Ibrani Yerusalem pertama kali menggeneralisasi hukum elektromagnetisme untuk kasus konstanta non-konstan. Dalam teorinya, $\alpha $ dianggap sebagai komponen alam yang dinamis, yaitu seperti medan skalar. Empat tahun lalu, salah satu dari kami (Barrow), bersama dengan Håvard Sandvik dan João Magueijo dari Imperial College London, memperluas teori Bekenstein untuk memasukkan gravitasi.

Prediksi teori umum sangat sederhana. Karena elektromagnetisme pada skala kosmik jauh lebih lemah daripada gravitasi, perubahan $\alpha$ beberapa sepersejuta tidak memiliki efek nyata pada perluasan Semesta. Tetapi ekspansi secara signifikan mempengaruhi $\alpha $ karena perbedaan antara energi medan listrik dan magnet. Selama puluhan ribu tahun pertama sejarah kosmik, radiasi mendominasi partikel bermuatan dan menjaga keseimbangan antara medan listrik dan magnet. Saat alam semesta mengembang, radiasi menjadi langka, dan materi menjadi elemen dominan kosmos. Energi listrik dan magnet ternyata tidak seimbang, dan $\alpha $ mulai meningkat sebanding dengan logaritma waktu. Sekitar 6 miliar tahun yang lalu, energi gelap mulai mendominasi, mempercepat ekspansi, yang mempersulit semua interaksi fisik untuk menyebar di ruang bebas. Akibatnya, $\alpha$ menjadi hampir konstan lagi.

Gambar yang dijelaskan konsisten dengan pengamatan kami. Garis spektrum quasar mencirikan periode sejarah kosmik ketika materi mendominasi dan $\alpha$ meningkat. Hasil pengukuran dan studi laboratorium di Oklo sesuai dengan periode ketika energi gelap mendominasi dan $\alpha$ konstan. Yang menarik adalah studi lebih lanjut tentang pengaruh perubahan $\alpha$ pada elemen radioaktif di meteorit, karena ini memungkinkan kita untuk mempelajari transisi antara dua periode yang disebutkan.

Alfa hanyalah permulaan

Jika konstanta struktur halus berubah, maka objek material harus jatuh secara berbeda. Pada suatu waktu, Galileo merumuskan prinsip ekivalensi lemah, yang menyatakan bahwa benda-benda dalam ruang hampa jatuh pada kecepatan yang sama, terlepas dari apa bahannya. Tetapi perubahan $\alpha$ harus menghasilkan gaya yang bekerja pada semua partikel bermuatan. Semakin banyak proton yang dikandung atom dalam nukleusnya, semakin kuat rasanya. Jika kesimpulan yang ditarik dari analisis hasil pengamatan quasar benar, maka percepatan jatuh bebas benda yang terbuat dari bahan yang berbeda akan berbeda sekitar 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Ini 100 kali lebih kecil dari apa yang dapat diukur di lab, tetapi cukup besar untuk menunjukkan perbedaan dalam eksperimen seperti STEP (Menguji Prinsip Kesetaraan di Luar Angkasa).

Dalam studi $\alpha $ sebelumnya, para ilmuwan mengabaikan ketidakhomogenan Alam Semesta. Seperti semua galaksi, Bima Sakti kita sekitar satu juta kali lebih padat daripada rata-rata luar angkasa, sehingga tidak mengembang bersama alam semesta. Pada tahun 2003, Barrow dan David F. Mota dari Cambridge menghitung bahwa $\alpha$ dapat berperilaku berbeda di dalam galaksi daripada di wilayah ruang yang lebih kosong. Segera setelah galaksi muda mengembun dan, saat bersantai, mencapai keseimbangan gravitasi, $\alpha$ menjadi konstan di dalam galaksi, tetapi terus berubah di luar. Jadi, eksperimen di Bumi yang menguji kegigihan $\alpha$ mengalami pemilihan kondisi yang bias. Kami belum mengetahui bagaimana hal ini mempengaruhi verifikasi prinsip kesetaraan yang lemah. Tidak ada variasi spasial $\alpha$ yang telah diamati. Mengandalkan homogenitas CMB, Barrow baru-baru ini menunjukkan bahwa $\alpha $ tidak berbeda lebih dari 1 $\cdot$ $10^(–8)$ antara wilayah bola angkasa yang berjarak $10^o$.

Tinggal kita menunggu munculnya data baru dan studi baru yang pada akhirnya akan mengkonfirmasi atau membantah hipotesis tentang perubahan $\alpha $. Para peneliti telah memfokuskan pada konstanta ini, hanya karena efek karena variasinya lebih mudah dilihat. Tetapi jika $\alpha$ benar-benar bisa berubah, maka konstanta lain juga harus berubah. Dalam hal ini, kita harus mengakui bahwa mekanisme internal alam jauh lebih rumit daripada yang kita duga.

TENTANG PENULIS:
John Barrow (John D. Barrow), John Web (John K. Webb) terlibat dalam studi konstanta fisik pada tahun 1996 selama cuti bersama di University of Sussex di Inggris. Kemudian Barrow mengeksplorasi kemungkinan teoretis baru untuk mengubah konstanta, dan Web terlibat dalam pengamatan quasar. Kedua penulis menulis buku non-fiksi dan sering muncul di program televisi.

Mari kita perhatikan sifat interaksi partikel elementer. Partikel berinteraksi satu sama lain dengan bertukar kuanta medan gaya, dan, seperti yang telah ditetapkan sejauh ini, empat jenis gaya, empat interaksi fundamental, diamati di alam:

kuat (nuklir, mengikat proton dan neutron dalam inti unsur kimia);

elektromagnetik;

lemah (bertanggung jawab atas peluruhan beta yang relatif lambat)

gravitasi (mengarah ke hukum gravitasi universal Newton). Interaksi gravitasi dan elektromagnetik mengacu pada gaya yang timbul dalam medan gravitasi dan elektromagnetik. Sifat interaksi gravitasi, yang secara kuantitatif ditetapkan oleh Newton, belum sepenuhnya ditentukan, dan tidak jelas bagaimana tindakan ini ditransmisikan melalui ruang angkasa.

Gaya nuklir yang terkait dengan interaksi kuat bekerja pada jarak pendek, sekitar 10-15 m, di dalam inti dan memastikan stabilitasnya, yang berlaku di atas aksi tolak gaya Coulomb medan elektromagnetik. Oleh karena itu, gaya nuklir terutama merupakan gaya tarik menarik dan bekerja di antara proton ( R- R) dan neutron ( P- P). Ada juga interaksi proton-neutron ( P- P). Karena partikel-partikel ini digabungkan menjadi satu kelompok nukleon, interaksi ini juga disebut nukleon-nukleon.

Interaksi lemah dimanifestasikan dalam proses peluruhan nuklir atau lebih luas - dalam proses interaksi antara elektron dan neutrino (bisa juga ada di antara pasangan partikel elementer).

Seperti yang telah kita ketahui, interaksi gravitasi dan elektromagnetik berubah dengan jarak sebagai 1/ R 2 dan jarak jauh. Interaksi nuklir (kuat) dan lemah adalah jarak pendek. Dalam hal besarnya, interaksi utama diatur dalam urutan berikut: kuat (nuklir), listrik, lemah, gravitasi.

Diasumsikan bahwa kuanta - pembawa dari keempat medan gaya ini masing-masing adalah: untuk interaksi kuat - gluon tak bermassa (8); untuk elektromagnetik - foton tak bermassa (kuanta ringan dengan putaran 1); untuk yang lemah - boson (tiga partikel 90 kali lebih berat dari proton) dan untuk gravitasi - graviton tak bermassa (dengan putaran 2).

Gluon merekatkan dan menahan quark di dalam proton dan inti. Kuanta dari semua bidang interaksi ini memiliki putaran bilangan bulat dan oleh karena itu adalah boson, berbeda dengan partikel - fermion, yang memiliki putaran 1/2. Gluon dan quark memiliki "muatan" khusus, yang biasanya disebut "muatan warna" atau hanya "warna". Dalam kromodinamika kuantum, hanya tiga warna yang dianggap dapat diterima - merah, biru dan hijau. Gluon dan quark belum diamati secara langsung, dan diyakini bahwa quark berwarna "tidak berhak" untuk terbang keluar dari inti, seperti halnya fonon - kuanta getaran termal dari kisi kristal atom - hanya ada di dalam padatan. Sifat mengikat, atau menahan, quark dan gluon dalam hadron ini disebut kurungan. Hanya kombinasi quark putih ("tidak berwarna") dalam bentuk hadron - baryon dan meson, yang muncul dalam reaksi nuklir selama tumbukan berbagai partikel, yang berhak terbang keluar dari inti dan diamati. Sangat mengherankan bahwa satu quark, yang muncul sebagai hasil dari beberapa proses, hampir seketika (dalam 10 -21 detik) "menyelesaikan" dirinya sendiri ke hadron dan tidak bisa lagi terbang keluar dari hadron.

Empat interaksi mendasar sesuai dengan empat konstanta dunia. Sebagian besar konstanta fisik memiliki dimensi yang bergantung pada sistem satuan referensi, misalnya, dalam muatan SI (Sistem Satuan Internasional - Sistem Internasional). e\u003d 1,6 10 -19 C, massanya t = 9.1 10 -31 kg. Dalam sistem referensi yang berbeda, unit dasar memiliki nilai dan dimensi numerik yang berbeda. Situasi ini tidak sesuai dengan sains, karena lebih mudah untuk memiliki konstanta tak berdimensi yang tidak terkait dengan pilihan bersyarat unit awal dan sistem referensi. Selain itu, konstanta fundamental tidak diturunkan dari teori fisika, tetapi ditentukan secara eksperimental. Dalam pengertian ini, fisika teoretis tidak dapat dianggap mandiri dan lengkap untuk menjelaskan sifat-sifat alam sampai masalah yang terkait dengan konstanta dunia dipahami dan dijelaskan.

Analisis dimensi konstanta fisik mengarah pada pemahaman bahwa mereka memainkan peran yang sangat penting dalam konstruksi teori fisik individu. Namun, jika kita mencoba membuat deskripsi teoretis terpadu dari semua proses fisik, yaitu, dengan kata lain, untuk merumuskan gambaran ilmiah terpadu tentang dunia dari tingkat mikro hingga makro, maka peran penentu utama harus dimainkan oleh tak berdimensi, yaitu "benar" dunia, konstanta. Ini adalah konstanta dari interaksi utama.

Konstanta interaksi gravitasi:

Konstanta interaksi elektromagnetik:

.

Konstanta interaksi yang kuat:

,

di mana - muatan warna (indeks "s" dari kata bahasa Inggris "strong" - strong.)

Konstanta interaksi lemah:

,

di mana g~ 1,4 10 -62 J m 3 - konstanta Fermi.(Indeks "w" dari kata bahasa Inggris "lemah" adalah lemah.) Perhatikan bahwa konstanta dimensi interaksi gravitasi diperoleh oleh I. Newton sendiri: G~ 6,67 10 -11 m 3 s 2 kg -1.

Diketahui bahwa hukum gravitasi universal ini tidak dapat dibuktikan, karena diperoleh dengan menggeneralisasikan fakta-fakta eksperimental. Selain itu, validitas absolutnya tidak dapat dijamin sampai mekanisme gravitasi itu sendiri menjadi jelas. Konstanta interaksi elektromagnetik bertanggung jawab atas transformasi partikel bermuatan menjadi partikel yang sama, tetapi dengan perubahan kecepatan gerakannya dan munculnya partikel tambahan - foton. Interaksi kuat dan lemah dimanifestasikan dalam proses mikrokosmos, di mana interkonversi partikel dimungkinkan. Oleh karena itu, konstanta interaksi kuat kuantitatif menentukan interaksi baryon. Konstanta interaksi lemah terkait dengan intensitas transformasi partikel elementer dengan partisipasi neutrino dan antineutrino.

Dipercayai bahwa keempat jenis interaksi dan konstanta mereka menentukan struktur dan keberadaan Alam Semesta saat ini. Jadi, gravitasi - menjaga planet tetap pada orbit dan tubuhnya di Bumi. Elektromagnetik - menahan elektron dalam atom dan menggabungkannya menjadi molekul, yang terdiri dari kita sendiri. Lemah - memberikan "pembakaran" bintang dan Matahari jangka panjang, yang menyediakan energi untuk aliran semua proses kehidupan di Bumi. Interaksi yang kuat memastikan keberadaan yang stabil dari sebagian besar inti atom. Fisika teoretis menunjukkan bahwa perubahan nilai numerik dari konstanta ini atau lainnya mengarah pada penghancuran stabilitas satu atau lebih elemen struktural Semesta. Misalnya, peningkatan massa elektron M 0 dari ~ 0,5 MeV hingga 0,9 MeV akan mengganggu keseimbangan energi dalam reaksi pembentukan deuterium dalam siklus matahari dan menyebabkan destabilisasi atom dan isotop stabil. Deuterium adalah atom hidrogen yang terdiri dari proton dan neutron. Ini adalah hidrogen "berat" dengan A = 2 (tritium memiliki A = 3.) hanya 40% akan mengarah pada fakta bahwa deuterium tidak akan stabil. Peningkatan tersebut akan membuat biproton stabil, yang akan mengarah pada pembakaran hidrogen pada tahap awal evolusi Alam Semesta. Konstan bervariasi dalam 1/170< < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение akan menyebabkan penurunan masa hidup neutron bebas. Ini berarti bahwa pada tahap awal Semesta, helium tidak akan terbentuk dan tidak akan ada reaksi fusi partikel selama sintesis karbon 3α -> 12C. Kemudian, alih-alih karbon kita, akan ada Alam Semesta hidrogen. Mengurangi akan mengarah pada fakta bahwa semua proton akan terikat menjadi partikel (semesta helium).

Dalam ilmu pengetahuan alam modern, diasumsikan bahwa konstanta dunia stabil mulai dari waktu 10 -35 detik dari saat kelahiran Semesta dan, dengan demikian, di Semesta kita, seolah-olah ada, yang sangat tepat. "menyesuaikan" nilai numerik konstanta dunia, yang menentukan nilai yang diperlukan untuk keberadaan inti, atom , bintang, dan galaksi. Asal dan keberadaan situasi seperti itu tidak jelas. “Penyesuaian” semacam itu (konstantanya persis seperti apa adanya!) menciptakan kondisi bagi keberadaan tidak hanya organisme anorganik, organik, tetapi juga organisme hidup, termasuk manusia. P. Dirac mengungkapkan gagasan tentang perubahan bersama dalam waktu dari konstanta fundamental. Secara umum, kita dapat mengasumsikan bahwa keragaman dan kesatuan dunia fisik, keteraturan dan harmoninya, prediktabilitas, dan pengulangan, dibentuk dan dikendalikan oleh sistem sejumlah kecil konstanta fundamental.