Základné konštanty vesmíru. Nové základné fyzikálne konštanty Zavedenie jadrových metód

Interakčná konštanta

Materiál z voľnej ruskej encyklopédie "Tradícia"

Interakčná konštanta(niekedy termín väzbová konštanta) je parameter v teórii poľa, ktorý určuje relatívnu silu akejkoľvek interakcie medzi časticami alebo poľami. V kvantovej teórii poľa sú interakčné konštanty spojené s vrcholmi v zodpovedajúcich interakčných diagramoch. Ako interakčné konštanty sa používajú bezrozmerné parametre a súvisiace veličiny charakterizujúce interakcie a majúce rozmery. Príkladmi sú bezrozmerná elektromagnetická interakcia a elektrická, meraná v C.

Porovnanie interakcií

Ak vyberieme objekt, ktorý sa zúčastňuje všetkých štyroch základných interakcií, potom hodnoty bezrozmerných interakčných konštánt tohto objektu, zistené všeobecným pravidlom, ukážu relatívnu silu týchto interakcií. Protón sa ako takýto objekt najčastejšie používa na úrovni elementárnych častíc. Základnou energiou na porovnanie interakcií je elektromagnetická energia fotónu, ktorá sa podľa definície rovná:

kde - , - rýchlosť svetla, - vlnová dĺžka fotónu. Voľba fotónovej energie nie je náhodná, keďže moderná veda je založená na vlnovej reprezentácii založenej na elektromagnetických vlnách. S ich pomocou sa robia všetky základné merania - dĺžka, čas a vrátane energie.

Gravitačná interakcia

Slabá interakcia

Energia spojená so slabou interakciou môže byť vyjadrená v nasledujúcej forme:

kde je efektívny náboj slabej interakcie, je hmotnosť virtuálnych častíc považovaných za nositeľa slabej interakcie (W- a Z-bozóny).

Druhá mocnina efektívneho náboja slabej interakcie pre protón je vyjadrená ako Fermiho konštanta J m 3 a hmotnosť protónu:

Pri dostatočne malých vzdialenostiach možno zanedbať exponenciálnu energiu slabej interakcie. V tomto prípade je bezrozmerná konštanta slabej interakcie definovaná takto:

Elektromagnetická interakcia

Elektromagnetickú interakciu dvoch nehybných protónov popisuje elektrostatická energia:

kde - , - .

Pomer tejto energie k energii fotónu určuje konštantu elektromagnetickej interakcie, známu ako:

Silná interakcia

Na úrovni hadrónov v štandardnom modeli časticovej fyziky sa to považuje za „zvyškovú“ interakciu vstupujúcu do hadrónov. Predpokladá sa, že gluóny ako nosiče silnej interakcie generujú virtuálne mezóny v priestore medzi hadrónmi. V modeli pion-nukleón Yukawa sú jadrové sily medzi nukleónmi vysvetlené ako výsledok výmeny virtuálnych pionov a interakčná energia má nasledujúcu formu:

kde je efektívny náboj pseudoskalárnej interakcie pion-nukleón, je hmotnosť piónu.

Bezrozmerná konštanta silnej interakcie je:

Konštanty v kvantovej teórii poľa

Interakčné efekty v teórii poľa sú často definované pomocou poruchovej teórie, v ktorej sú funkcie v rovniciach rozšírené o mocniny interakčnej konštanty. Zvyčajne je pre všetky interakcie, okrem silnej, interakčná konštanta oveľa menšia ako jednota. To robí aplikáciu poruchovej teórie efektívnou, pretože príspevok vyšších členov expanzií rýchlo klesá a ich výpočet sa stáva zbytočným. V prípade silnej interakcie sa teória porúch stáva nevhodnou a sú potrebné iné metódy výpočtu.

Jednou z predpovedí kvantovej teórie poľa je takzvaný efekt „plávajúcich konštánt“, podľa ktorého sa interakčné konštanty pomaly menia so zvyšujúcou sa energiou prenášanou pri interakcii častíc. Takže konštanta elektromagnetickej interakcie sa zvyšuje a konštanta silnej interakcie klesá so zvyšujúcou sa energiou. Kvarky v kvantovej chromodynamike majú svoju vlastnú silnú interakčnú konštantu:

kde je efektívny farebný náboj kvarku, ktorý emituje virtuálne gluóny na interakciu s iným kvarkom. Pri zmenšovaní vzdialenosti medzi kvarkami, dosiahnutom pri zrážkach častíc s vysokou energiou, sa očakáva logaritmický pokles a zoslabenie silnej interakcie (efekt asymptotickej voľnosti kvarkov). Na stupnici prenesenej energie rádovo hmotnostnej energie Z-bozónu (91,19 GeV) sa zistilo, že Na rovnakej energetickej škále sa konštanta elektromagnetickej interakcie zvyšuje na hodnotu rádovo 1/127 namiesto ≈1/137 pri nízkych energiách. Predpokladá sa, že pri ešte vyšších energiách, asi 10 18 GeV, sa hodnoty konštánt gravitačných, slabých, elektromagnetických a silných interakcií častíc priblížia a môžu sa dokonca navzájom približne rovnať.

Konštanty v iných teóriách

Teória strún

V teórii strún sa interakčné konštanty nepovažujú za konštanty, ale majú dynamický charakter. Najmä tá istá teória pri nízkych energiách vyzerá, že struny sa pohybujú v desiatich dimenziách a pri vysokých energiách - v jedenástich. Zmena počtu meraní je sprevádzaná zmenou interakčných konštánt.

silná gravitácia

Spolu s a elektromagnetickými silami sú považované za hlavné zložky silnej interakcie v . V tomto modeli sa namiesto uvažovania o interakcii kvarkov a gluónov berú do úvahy iba dve základné polia - gravitačné a elektromagnetické, ktoré pôsobia v nabitej a hmotnej hmote elementárnych častíc, ako aj v priestore medzi nimi. Zároveň sa predpokladá, že kvarky a gluóny nie sú skutočné častice, ale kvázičastice, ktoré odrážajú kvantové vlastnosti a symetrie obsiahnuté v hadrónovej hmote. Tento prístup drasticky znižuje rekord pre fyzikálne teórie v počte skutočne nepodložených, ale predpokladaných voľných parametrov v štandardnom modeli fyziky elementárnych častíc, v ktorom je aspoň 19 takýchto parametrov.

Ďalším dôsledkom je, že slabé a silné interakcie sa nepovažujú za nezávislé interakcie poľa. Silná interakcia je redukovaná na kombinácie gravitačných a elektromagnetických síl, v ktorých hrajú dôležitú úlohu interakčné oneskorovacie efekty (dipólové a orbitálne torzné polia a magnetické sily). V súlade s tým je konštanta silnej interakcie určená analógiou s konštantou gravitačnej interakcie:

Je užitočné pochopiť, ktoré konštanty sú vo všeobecnosti základné. Vezmime si napríklad rýchlosť svetla. Skutočnosť, že je konečný, je základ, nie jeho význam. V zmysle, že vzdialenosť a čas sme určili tak, aby to tak bolo. V iných jednotkách by to bolo iné.

Čo je teda zásadné? Bezrozmerné pomery a charakteristické interakčné sily, ktoré sú opísané bezrozmernými interakčnými konštantami. Zhruba povedané, interakčné konštanty charakterizujú pravdepodobnosť nejakého procesu. Napríklad elektromagnetická konštanta charakterizuje, s akou pravdepodobnosťou sa elektrón rozptýli na protóne.

Pozrime sa, ako môžeme logicky zostavovať rozmerové veličiny. Môžete zadať pomer hmotností protónu a elektrónu a špecifickú konštantu elektromagnetickej interakcie. V našom vesmíre sa objavia atómy. Môžete si vziať konkrétny atómový prechod a zobrať frekvenciu vyžarovaného svetla a zmerať všetko v perióde svetelných oscilácií. Tu je jednotka času. Svetlo počas tejto doby preletí určitú vzdialenosť, takže dostaneme jednotku vzdialenosti. Fotón s takouto frekvenciou má nejaký druh energie, ukázala sa jednotka energie. A potom je sila elektromagnetickej interakcie taká, že veľkosť atómu je toľko v našich nových jednotkách. Vzdialenosť meriame ako pomer doby letu svetla cez atóm k perióde oscilácie. Táto hodnota závisí len od sily interakcie. Ak teraz definujeme rýchlosť svetla ako pomer veľkosti atómu k perióde oscilácie, dostaneme číslo, ktoré však nie je zásadné. Druhý a meter sú pre nás charakteristické stupnice času a vzdialenosti. V nich meriame rýchlosť svetla, ale jeho konkrétna hodnota nemá fyzikálny význam.

Myšlienkový experiment, nech existuje iný vesmír, kde je meter presne dvakrát taký veľký ako ten náš, ale všetky základné konštanty a vzťahy sú rovnaké. Potom bude šírenie interakcií trvať dvakrát tak dlho a bytosti podobné ľuďom budú vnímať sekundu polovičnou rýchlosťou. Samozrejme, že to necítia. Keď zmerajú rýchlosť svetla, dostanú rovnakú hodnotu ako my. Pretože merajú vo svojich charakteristických metroch a sekundách.

Fyzici preto nepripisujú zásadný význam tomu, že rýchlosť svetla je 300 000 km/s. A je pripojená konštanta elektromagnetickej interakcie, takzvaná konštanta jemnej štruktúry (je približne 1/137).

Okrem toho, samozrejme, konštanty základných interakcií (elektromagnetizmus, silné a slabé interakcie, gravitácia) spojené s príslušnými procesmi závisia od energií týchto procesov. Elektromagnetická interakcia na energetickej škále rádu hmotnosti elektrónu je jedna a na stupnici rádu hmotnosti Higgsovho bozónu je iná, vyššia. Sila elektromagnetickej interakcie rastie s energiou. Ale to, ako sa menia interakčné konštanty s energiou, sa dá vypočítať, ak vieme, aký druh častíc máme a aké sú ich pomery vlastností.

Preto, aby sme úplne opísali základné interakcie na našej úrovni chápania, stačí vedieť, akú množinu častíc máme, hmotnostné pomery elementárnych častíc, interakčné konštanty na jednej stupnici, napríklad na stupnici hmotnosť elektrónu a pomer síl, s ktorými každá konkrétna častica interaguje pri tejto interakcii, v elektromagnetickom prípade to zodpovedá pomeru nábojov (náboj protónu sa rovná náboju elektrónu, pretože sila interakcie elektrón s elektrónom sa zhoduje so silou interakcie elektrónu s protónom, ak by bola dvakrát väčšia, potom by sila bola dvakrát väčšia, sila sa meria, opakujem, v bezrozmerných pravdepodobnostiach). Nastáva otázka, prečo sú.

Nie je tu všetko jasné. Niektorí vedci sa domnievajú, že sa objaví zásadnejšia teória, z ktorej bude vyplývať, ako spolu súvisia hmotnosti, náboje atď. Na to posledné v istom zmysle odpovedajú veľké zjednotené teórie. Niektorí ľudia veria, že funguje antropický princíp. To znamená, že ak by základné konštanty boli iné, v takom vesmíre by sme jednoducho neexistovali.

"Zlatý pražec" - konštanta, podľa definície! Autor A. A. Korneev 22. mája 2007

© Alexey A. Korneev

"Zlatý pražec" - konštanta, podľa definície!

Ako sa uvádza na webovej stránke „Akadémie trinitárstva“ v súvislosti s tam uverejneným článkom autora, bol mu predložený všeobecný vzorec pre identifikovanú závislosť (1) a nová konštanta "L» :

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

... V dôsledku toho sa určil a vypočítal jednoduchý zlomok zodpovedajúci prevrátenej hodnote parametra "L", ktorý sa navrhol nazývať konštanta "zlatého pražca".

"L" = 1/12,984705 = 1/13 (s presnosťou nie horšou ako 1,52 %).

V recenziách a komentároch (k uvedenému článku) bola vyslovená pochybnosť, že odvodenie zo vzorca (1)

číslo"L» je KONŠTANTA.

Tento článok obsahuje odpoveď na vyslovené pochybnosti.

Vo vzorci (1) máme čo do činenia s rovnicou, kde sú jej parametre definované takto:

N - ktorékoľvek z čísel Fibonacciho série (okrem prvého).

n- poradové číslo čísla z Fibonacciho série, počnúc prvým číslom.

m- číselný ukazovateľ stupňa indexového (limitného) čísla Fibonacciho radu.

L - určitá konštantná hodnota vo všetkých výpočtoch podľa vzorca (1):L =1/13;

F– indexové (limitné) číslo Fibonacciho série (Ф = 1,61803369…)

Vo vzorci (1) premenná (meniaca sa v priebehu výpočtov!) Parametre sú hodnoty konkrétnych veličín " n» a "m».

Preto je absolútne legitímne písať vzorec (1) v najvšeobecnejšej forme takto:

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

Z toho vyplýva, že:f(m) : f(n) = L = Konšt.

Vždy!

Výskumná práca, konkrétne vypočítané údaje z tabuľky 1, ukázali, že pre vzorec (1) sa ukázalo, že číselné hodnoty premenných parametrov sú vzájomne prepojené podľa pravidla: m = (n – 7 ).

A tento číselný pomer parametrov "m» a "n» zostáva tiež nezmenená.

Berúc do úvahy posledné uvedené (alebo bez zohľadnenia tohto spojenia parametrov "m» a "n» ), ale rovnice (1) a (2) sú (podľa definície) algebraické rovnice.

V týchto rovniciach, podľa všetkých existujúcich pravidiel matematiky (pozri nižšie kópia str. 272 ​​​​z Príručky matematiky), všetky zložky takýchto rovníc majú svoje vlastné jednoznačné názvy (interpretácie pojmov).

Nižšie na obr. 1 je kópia stránky z " Príručka matematiky ».

Obr.1

Moskva. máj 2007

O konštantách (pre referenciu)

/ citáty z rôznych zdrojov /

Matematické konštanty

<….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.

Tento prístup nie je použiteľný pre symbolickú matematiku. Ak chcete napríklad špecifikovať matematickú identitu tak, že prirodzený logaritmus Eulerovej konštanty e je presne 1, konštanta musí mať absolútnu presnosť. …>.

<….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. …>.

Svetové konštanty

<….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. …>.

Fyzikálne konštanty

<….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 tri základné fyzikálne konštanty: rýchlosť svetla, Planckova konštanta a náboj elektrónu.

Hodnota konštanty jemnej štruktúry je jedným zo základov antropického princípu vo fyzike a filozofii: Vesmír je taký, že môžeme existovať a študovať ho. Číslo A spolu s jemnou štruktúrnou konštantou ± umožňuje získať dôležité bezrozmerné základné konštanty, ktoré by nebolo možné získať iným spôsobom. …>.

<….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 : …>.

Lekárske konštanty

<….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. …>.

NIE KONŠTANTY

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

Ide o náhodné číslo, ktoré závisí od mnohých faktorov, napríklad od skutočnosti, že 1/40 000 poludníka bola braná ako meter. Trvalo by to jednu minútu oblúka - došlo by k inému počtu gravitačných zrýchlení.

Okrem toho je toto číslo tiež odlišné (v rôznych častiach zemegule alebo inej planéty), to znamená, že to nie je konštanta ...>.

Aký nepredstaviteľne zvláštny by bol svet, keby sa fyzikálne konštanty mohli meniť! Napríklad takzvaná konštanta jemnej štruktúry je približne rovná 1/137. Ak by mala inú hodnotu, potom by snáď nebol rozdiel medzi hmotou a energiou.

Sú veci, ktoré sa nikdy nemenia. Vedci ich nazývajú fyzikálne konštanty alebo svetové konštanty. Predpokladá sa, že rýchlosť svetla $c$, gravitačná konštanta $G$, hmotnosť elektrónu $m_e$ a niektoré ďalšie veličiny zostávajú vždy a všade nezmenené. Tvoria základ, na ktorom sú založené fyzikálne teórie a určujú štruktúru vesmíru.

Fyzici usilovne pracujú na meraní svetových konštánt so stále väčšou presnosťou, no nikto zatiaľ nedokázal žiadnym spôsobom vysvetliť, prečo sú ich hodnoty také, aké sú. V systéme SI $c = 299792458 $ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)N\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( - 31) $ kg - úplne nesúvisiace veličiny, ktoré majú len jednu spoločnú vlastnosť: ak sa aspoň trochu zmenia, bude existencia zložitých atómových štruktúr vrátane živých organizmov veľkou otázkou. Túžba ospravedlniť hodnoty konštánt sa stala jedným zo stimulov pre rozvoj jednotnej teórie, ktorá plne popisuje všetky existujúce javy. Vedci dúfali, že s jeho pomocou ukážu, že každá svetová konštanta môže mať iba jednu možnú hodnotu, a to kvôli vnútorným mechanizmom, ktoré určujú klamlivú svojvôľu prírody.

Najlepším kandidátom na titul jednotnej teórie je M-teória (variant teórie strún), ktorú možno považovať za konzistentnú, ak vesmír nemá štyri časopriestorové dimenzie, ale jedenásť. Preto konštanty, ktoré pozorujeme, nemusia byť skutočne zásadné. Skutočné konštanty existujú v plnom multidimenzionálnom priestore a my vidíme len ich trojrozmerné „siluety“.

PREHĽAD: SVETOVÉ KONSTANTY

1. V mnohých fyzikálnych rovniciach existujú veličiny, ktoré sú všade - v priestore a čase - považované za konštantné.

2. Nedávno vedci pochybovali o stálosti svetových konštánt. Porovnaním výsledkov pozorovaní kvazarov a laboratórnych meraní prichádzajú k záveru, že chemické prvky v dávnej minulosti absorbovali svetlo inak ako dnes. Rozdiel je možné vysvetliť zmenou niekoľkých milióntin konštanty jemnej štruktúry.

3. Potvrdenie aj takejto malej zmeny bude skutočnou revolúciou vo vede. Pozorované konštanty sa môžu ukázať ako len „siluety“ skutočných konštánt, ktoré existujú vo viacrozmernom časopriestore.

Medzitým fyzici dospeli k záveru, že hodnoty mnohých konštánt môžu byť výsledkom náhodných udalostí a interakcií medzi elementárnymi časticami v raných fázach histórie vesmíru. Teória strún umožňuje existenciu obrovského množstva ($10^(500)$) svetov s rôznymi samokonzistentnými súbormi zákonov a konštánt ( pozri Krajina teórie strún, Vo svete vedy, č. 12, 2004.). Doteraz vedci netušia, prečo bola vybraná naša kombinácia. Možno sa v dôsledku ďalšieho výskumu počet logicky možných svetov zníži na jeden, ale je možné, že náš Vesmír je len malou časťou multivesmíru, v ktorom sú implementované rôzne riešenia rovníc jednotnej teórie, a pozorujeme len jeden z variantov prírodných zákonov ( pozri Paralelné vesmíry, Vo svete vedy, č. 8, 2003 V tomto prípade pre mnohé svetové konštanty neexistuje žiadne vysvetlenie, okrem toho, že predstavujú vzácnu kombináciu, ktorá umožňuje rozvoj vedomia. Možno sa vesmír, ktorý pozorujeme, stal jednou z mnohých izolovaných oáz obklopených nekonečným vesmírom bez života - neskutočným miestom, kde dominujú prírodné sily, ktoré sú nám úplne cudzie, a častice ako elektróny a štruktúry ako atómy uhlíka a molekuly DNA sú jednoducho nemožné. Pokus dostať sa tam by bol osudný.

Teória strún bola vyvinutá aj na vysvetlenie zdanlivej svojvôle fyzikálnych konštánt, takže jej základné rovnice obsahujú len niekoľko ľubovoľných parametrov. Zatiaľ však nevysvetľuje pozorované hodnoty konštánt.

Spoľahlivé pravítko

V skutočnosti použitie slova „konštantný“ nie je úplne legitímne. Naše konštanty sa môžu meniť v čase a priestore. Ak by sa veľkosť extra priestorových rozmerov zmenila, zmenili by sa s nimi aj konštanty v našom trojrozmernom svete. A ak by sme sa pozreli dostatočne ďaleko do vesmíru, mohli by sme vidieť oblasti, kde konštanty nadobúdali rôzne hodnoty. Od 30. rokov 20. storočia vedci špekulovali, že konštanty nemusia byť konštantné. Teória strún dáva tejto myšlienke teoretickú vierohodnosť a robí hľadanie nestálosti ešte dôležitejším.

Prvým problémom je, že samotné nastavenie laboratória môže byť citlivé na zmeny konštánt. Veľkosť všetkých atómov sa mohla zväčšiť, ale ak by sa predĺžilo aj pravítko používané na merania, o zmene veľkosti atómov by sa nedalo povedať nič. Experimentátori zvyčajne predpokladajú, že meracie etalóny (pravítka, závažia, hodiny) sú nezmenené, čo sa však pri kontrole konštánt nedá dosiahnuť. Výskumníci by mali venovať pozornosť bezrozmerným konštantám - iba číslam, ktoré nezávisia od systému jednotiek, napríklad pomer hmotnosti protónu k hmotnosti elektrónu.

Mení sa vnútorná štruktúra vesmíru?

Zvlášť zaujímavá je veličina $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, ktorá kombinuje rýchlosť svetla $c$, elektrický náboj elektrónu $e$, Planckovu konštantu $h$ a tzv. nazývaná vákuová dielektrická konštanta $\epsilon_0$. Nazýva sa konštanta jemnej štruktúry. Prvýkrát bol predstavený v roku 1916 Arnoldom Sommerfeldom, ktorý sa ako jeden z prvých pokúsil aplikovať kvantovú mechaniku na elektromagnetizmus: $\alpha$ spája relativistické (c) a kvantové (h) charakteristiky elektromagnetických (e) interakcií zahŕňajúcich nabité častice. na prázdnom mieste ($\epsilon_0$). Merania ukázali, že táto hodnota je 1/137,03599976 (približne 1/137).

Ak by $\alpha $ malo iný význam, potom by sa zmenil celý svet. Ak by bola menšia, hustota pevnej látky zloženej z atómov by sa znížila (úmerne k $\alpha^3 $), molekulové väzby by sa pri nižších teplotách lámali ($\alpha^2 $) a počet stabilných prvkov v periodická tabuľka by sa mohla zvýšiť (1 $/\alpha $). Ak by sa $\alpha $ ukázalo byť príliš veľké, malé atómové jadrá by nemohli existovať, pretože jadrové sily, ktoré ich viažu, by nedokázali zabrániť vzájomnému odpudzovaniu protónov. Pre $\alpha >0,1 $ uhlík nemohol existovať.

Jadrové reakcie vo hviezdach sú obzvlášť citlivé na $\alpha $. Aby došlo k jadrovej fúzii, musí gravitácia hviezdy vytvoriť dostatočne vysokú teplotu, aby spôsobila, že sa jadrá priblížia k sebe, napriek ich tendencii sa navzájom odpudzovať. Ak by $\alpha $ bolo väčšie ako 0,1, potom by bola fúzia nemožná (samozrejme, pokiaľ ostatné parametre, ako napríklad pomer hmotností elektrónov a protónov, nezostanú rovnaké). Zmena $\alpha$ len o 4% by ovplyvnila energetické hladiny v jadre uhlíka do takej miery, že by jeho výskyt vo hviezdach jednoducho prestal.

Implementácia jadrových techník

Druhým, závažnejším, experimentálnym problémom je, že meranie zmien konštánt vyžaduje vysoko presné zariadenie, ktoré musí byť mimoriadne stabilné. Dokonca aj s atómovými hodinami sa dá drift konštanty jemnej štruktúry sledovať len niekoľko rokov. Ak by sa $\alpha $ zmenilo o viac ako 4 $\cdot$ $10^(–15)$ za tri roky, najpresnejšie hodiny by to dokázali zistiť. Nič také však zatiaľ nebolo zaznamenané. Zdalo by sa, prečo nie potvrdenie stálosti? Ale tri roky pre vesmír sú okamih. Pomalé, ale významné zmeny v histórii vesmíru môžu zostať nepovšimnuté.

ĽAHKÁ A STÁLA JEMNÁ ŠTRUKTÚRA

Našťastie fyzici našli iné spôsoby kontroly. V 70. rokoch 20. storočia Vedci z Francúzskej komisie pre atómovú energiu si všimli niektoré znaky v izotopovom zložení rudy z uránovej bane v Oklo v Gabone (západná Afrika): podobala sa odpadu z jadrového reaktora. Zrejme asi pred 2 miliardami rokov vznikol v Oklo prírodný jadrový reaktor ( pozri Divine Reactor, In the World of Science, č. 1, 2004).

V roku 1976 Alexander Shlyakhter z Leningradského inštitútu jadrovej fyziky zistil, že výkon prírodných reaktorov kriticky závisí od presnej energie špecifického stavu jadra samária, ktoré zachytáva neutróny. A samotná energia silne súvisí s hodnotou $\alpha $. Ak by sa teda konštanta jemnej štruktúry mierne líšila, nemohla by nastať reťazová reakcia. Ale naozaj sa to stalo, čo znamená, že za posledné 2 miliardy rokov sa konštanta nezmenila o viac ako 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Fyzici naďalej polemizujú o presných kvantitatívnych výsledkoch kvôli nevyhnutnej neistote o podmienkach v prírodnom reaktore.)

V roku 1962 P. James E. Peebles a Robert Dicke z Princetonskej univerzity ako prví aplikovali takúto analýzu na staroveké meteority: relatívny počet izotopov vyplývajúcich z ich rádioaktívneho rozpadu závisí od $\alpha $. Najcitlivejšie obmedzenie je spojené s beta rozpadom pri premene rénia na osmium. Podľa nedávnej práce Keitha Oliveho z University of Minnesota a Maxima Pospelova z University of Victoria v Britskej Kolumbii sa $\alpha$ líšil od svojej súčasnej hodnoty o 2 $\cdot$ $10^ v čase, keď sa meteority vytvorili. (– 6) $. Tento výsledok je menej presný ako údaje z Oklo, ale siaha hlbšie do minulosti, k vzniku slnečnej sústavy pred 4,6 miliardami rokov.

Aby vedci preskúmali možné zmeny v ešte dlhších časových obdobiach, musia sa pozrieť do neba. Svetlo zo vzdialených astronomických objektov ide do našich teleskopov miliardy rokov a nesie v sebe odtlačok zákonov a svetových konštánt tých čias, keď ešte len začalo svoju cestu a interakciu s hmotou.

Spektrálne čiary

Astronómovia sa zapojili do príbehu o konštantách krátko po objavení kvazarov v roku 1965, ktoré boli práve objavené a identifikované ako jasné zdroje svetla umiestnené vo veľkých vzdialenostiach od Zeme. Pretože cesta svetla z kvazaru k nám je taká dlhá, nevyhnutne pretína plynné susedstvá mladých galaxií. Plyn absorbuje svetlo kvasaru pri špecifických frekvenciách, čím sa do jeho spektra vtlačí čiarový kód úzkych čiar (pozri rámček nižšie).

HĽADANIE ZMIEN KVAZAROVÉHO ŽIARENIA

Keď plyn absorbuje svetlo, elektróny obsiahnuté v atómoch preskakujú z nižších energetických hladín na vyššie. Energetické hladiny sú určené tým, ako silne atómové jadro drží elektróny, čo závisí od sily elektromagnetickej interakcie medzi nimi, a teda od konštanty jemnej štruktúry. Ak to bolo iné v čase, keď bolo svetlo absorbované, alebo v nejakej konkrétnej oblasti vesmíru, kde sa to stalo, potom by energia potrebná na presun elektrónu na novú úroveň a vlnové dĺžky prechodov pozorovaných v spektrách mali sa líši od toho, čo sa dnes pozoruje pri laboratórnych experimentoch. Povaha zmeny vlnových dĺžok kriticky závisí od distribúcie elektrónov na atómových dráhach. Pre danú zmenu v $\alpha$ sa niektoré vlnové dĺžky znížia, zatiaľ čo iné sa zväčšia. Komplexný vzor účinkov je ťažké zameniť s chybami kalibrácie údajov, čo robí takýto experiment mimoriadne užitočným.

Keď sme pred siedmimi rokmi začali pracovať, čelili sme dvom problémom. Po prvé, vlnové dĺžky mnohých spektrálnych čiar neboli namerané s dostatočnou presnosťou. Napodiv, vedci vedeli oveľa viac o spektrách kvazarov vzdialených miliardy svetelných rokov ako o spektrách pozemských vzoriek. Potrebovali sme vysoko presné laboratórne merania, aby sme s nimi porovnali spektrá kvazaru, a presvedčili sme experimentátorov, aby urobili príslušné merania. Uskutočnili ich Anne Thorne a Juliet Pickering z Imperial College London a neskôr tímy vedené Svenericom Johanssonom z Lund Observatory vo Švédsku a Ulfom Griesmannom a Rainerom Klingom (Rainer Kling) z Národného inštitútu pre štandardy a technológie v r. Maryland.

Druhým problémom bolo, že predchádzajúci pozorovatelia používali takzvané alkalické dublety, páry absorpčných čiar, ktoré sa objavujú v atómových plynoch uhlíka alebo kremíka. Porovnali intervaly medzi týmito čiarami v spektrách kvazaru s laboratórnymi meraniami. Táto metóda však neumožnila využiť jeden špecifický jav: zmeny v $\alpha $ spôsobujú nielen zmenu intervalu medzi energetickými hladinami atómu v porovnaní s hladinou s najnižšou energiou (základný stav), ale aj zmena polohy samotného základného stavu. V skutočnosti je druhý efekt ešte silnejší ako prvý. V dôsledku toho bola presnosť pozorovaní iba 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

V roku 1999 jeden z autorov článku (Web) a Victor V. Flambaum z University of New South Wales v Austrálii vyvinuli techniku ​​na zohľadnenie oboch účinkov. V dôsledku toho sa citlivosť zvýšila 10-krát. Okrem toho bolo možné porovnávať rôzne typy atómov (napríklad horčík a železo) a vykonávať ďalšie krížové kontroly. Museli sa vykonať zložité výpočty, aby sa presne zistilo, ako sa pozorované vlnové dĺžky líšia v rôznych typoch atómov. Vyzbrojení najmodernejšími teleskopmi a senzormi sme sa rozhodli otestovať stálosť $\alpha$ s bezprecedentnou presnosťou pomocou novej metódy mnohých multipletov.

Revízia pohľadov

Keď sme začali s experimentmi, jednoducho sme chceli s väčšou presnosťou zistiť, že hodnota konštanty jemnej štruktúry v staroveku bola rovnaká ako dnes. Na naše prekvapenie výsledky získané v roku 1999 vykazovali malé, ale štatisticky významné rozdiely, ktoré sa následne potvrdili. Pomocou údajov zo 128 kvazarových absorpčných línií sme zaznamenali nárast $\alpha$ o 6 $\cdot$ $10^(–6)$ za posledných 6–12 miliárd rokov.

Výsledky meraní konštanty jemnej štruktúry nám neumožňujú vyvodiť konečné závery. Niektoré z nich naznačujú, že kedysi bol menší ako teraz, a niektoré nie. Možno sa α v dávnej minulosti zmenilo, ale teraz sa stalo konštantným. (Polia predstavujú rozsah údajov.)

Odvážne tvrdenia si vyžadujú solídne dôkazy, takže naším prvým krokom bolo dôkladné preskúmanie našich metód zberu údajov a analýzy. Chyby merania možno rozdeliť do dvoch typov: systematické a náhodné. S náhodnými nepresnosťami je všetko jednoduché. V každom jednotlivom meraní naberajú iné hodnoty, ktoré sa pri veľkom počte meraní spriemerujú a majú tendenciu k nule. Systematické chyby, ktoré nie sú spriemerované, sa riešia ťažšie. V astronómii sa s neistotami tohto druhu stretávame na každom kroku. V laboratórnych experimentoch môžu byť prístroje vyladené tak, aby sa minimalizovali chyby, ale astronómovia nedokážu „vyladiť“ vesmír a musia priznať, že všetky ich metódy zberu údajov obsahujú prirodzené zaujatosti. Napríklad pozorované priestorové rozloženie galaxií je výrazne zaujaté smerom k jasným galaxiám, pretože sa dajú ľahšie pozorovať. Identifikácia a neutralizácia takýchto posunov je pre pozorovateľov neustálou výzvou.

Najprv sme upozornili na možné skreslenie škály vlnových dĺžok, voči ktorej sa merali spektrálne čiary kvazaru. Mohla by vzniknúť napríklad pri spracovaní „surových“ výsledkov pozorovania kvazarov do kalibrovaného spektra. Hoci jednoduché lineárne natiahnutie alebo zmenšenie škály vlnových dĺžok nemohlo presne napodobniť zmenu v $\alpha$, na vysvetlenie výsledkov by postačovala aj približná podobnosť. Postupne sme odstránili jednoduché chyby spojené so skresleniami nahradením kalibračných údajov namiesto výsledkov pozorovania kvazaru.

Už viac ako dva roky skúmame rôzne príčiny zaujatosti, aby sme sa uistili, že ich vplyv je zanedbateľný. Našli sme len jeden potenciálny zdroj závažných chýb. Hovoríme o líniách absorpcie horčíka. Každý z jeho troch stabilných izotopov absorbuje svetlo s rôznymi vlnovými dĺžkami, ktoré sú veľmi blízko seba a sú viditeľné v spektrách kvazarov ako jedna čiara. Na základe laboratórnych meraní relatívneho množstva izotopov výskumníci posudzujú prínos každého z nich. Ich rozloženie v mladom vesmíre by sa mohlo výrazne líšiť od súčasnosti, ak by hviezdy, ktoré vyžarujú horčík, boli v priemere ťažšie ako ich dnešné náprotivky. Takéto rozdiely by mohli napodobňovať zmenu v $\alpha$.No výsledky štúdie zverejnenej v tomto roku naznačujú, že pozorované fakty sa nedajú tak ľahko vysvetliť. Yeshe Fenner a Brad K. Gibson z Swinburne University of Technology v Austrálii a Michael T. Murphy z University of Cambridge dospeli k záveru, že množstvo izotopov potrebné na napodobnenie zmeny $\alpha$ by tiež viedlo k nadmernej syntéze dusíka na začiatku Vesmír, čo je úplne v rozpore s pozorovaniami. Takže musíme žiť s možnosťou, že $\alpha$ sa zmenil.

NIEKEDY SA TO ZMENI, NIEKEDY NIE

Podľa hypotézy, ktorú predložili autori článku, v niektorých obdobiach kozmickej histórie zostala konštanta jemnej štruktúry nezmenená, zatiaľ čo v iných sa zvýšila. Experimentálne údaje (pozri predchádzajúcu prílohu) sú v súlade s týmto predpokladom.

Vedecká komunita okamžite ocenila význam našich výsledkov. Výskumníci spektier kvazarov po celom svete okamžite začali merania. V roku 2003 výskumné tímy Sergeja Levšakova (Sergeja Levšakova) z Petrohradského inštitútu fyziky a technológie. Ioffe a Ralf Quast z univerzity v Hamburgu študovali tri nové kvazarové systémy. Minulý rok Hum Chand a Raghunathan Srianand z Medziuniverzitného centra pre astronómiu a astrofyziku v Indii, Patrick Petitjean z Inštitútu astrofyziky a Bastien Aracil z LERMA v Paríži analyzovali ďalších 23 prípadov. Žiadna zo skupín nenašla zmeny $\alpha$. Chand tvrdí, že akákoľvek zmena medzi 6 a 10 miliardami rokov musí byť menšia ako jedna milióntina.

Prečo podobné metodológie používané na analýzu rôznych zdrojových údajov viedli k takej drastickej nezrovnalosti? Odpoveď zatiaľ nie je známa. Výsledky získané týmito výskumníkmi sú vynikajúcej kvality, ale veľkosť ich vzoriek a vek analyzovaného žiarenia sú výrazne menšie ako u nás. Okrem toho Chand použil zjednodušenú verziu multimultipletovej metódy a nevyhodnotil úplne všetky experimentálne a systematické chyby.

Renomovaný astrofyzik John Bahcall z Princetonu kritizoval samotnú multimultipletovú metódu, ale problémy, na ktoré poukazuje, patria do kategórie náhodných chýb, ktoré sú minimalizované pri použití veľkých vzoriek. Bacall a Jeffrey Newman z Národného laboratória. Lawrence v Berkeley zvažoval emisné čiary, nie absorpčné čiary. Ich prístup je oveľa menej presný, aj keď sa môže v budúcnosti ukázať ako užitočný.

Legislatívna reforma

Ak budú naše výsledky správne, následky budú obrovské. Až donedávna boli všetky pokusy odhadnúť, čo by sa stalo s vesmírom, keby sa zmenila konštanta jemnej štruktúry, neuspokojivé. Nešli ďalej, než považovali $\alpha$ za premennú v rovnakých vzorcoch, ktoré boli získané za predpokladu, že je konštantná. Súhlasím, veľmi pochybný prístup. Ak sa $\alpha $ zmení, potom by sa mala zachovať energia a hybnosť v efektoch s tým spojených, čo by malo ovplyvniť gravitačné pole vo vesmíre. V roku 1982 Jacob D. Bekenstein z Hebrejskej univerzity v Jeruzaleme prvýkrát zovšeobecnil zákony elektromagnetizmu na prípad nekonštantných konštánt. V jeho teórii sa $\alpha $ považuje za dynamickú zložku prírody, t.j. ako skalárne pole. Pred štyrmi rokmi jeden z nás (Barrow) spolu s Håvardom Sandvikom a Joãom Magueijom z Imperial College London rozšírili Bekensteinovu teóriu o gravitáciu.

Predpovede zovšeobecnenej teórie sú lákavo jednoduché. Keďže elektromagnetizmus v kozmickom meradle je oveľa slabší ako gravitácia, zmeny v $\alpha$ o niekoľko milióntín nemajú výrazný vplyv na rozpínanie vesmíru. Ale expanzia výrazne ovplyvňuje $\alpha $ kvôli rozdielu medzi energiami elektrického a magnetického poľa. Počas prvých desiatok tisíc rokov kozmickej histórie dominovalo žiarenie nabitým časticiam a udržiavalo rovnováhu medzi elektrickým a magnetickým poľom. Ako sa vesmír rozširoval, žiarenie sa zmenšovalo a hmota sa stala dominantným prvkom kozmu. Ukázalo sa, že elektrická a magnetická energia sú nerovnaké a $\alpha $ sa začalo zvyšovať úmerne k logaritmu času. Približne pred 6 miliardami rokov začala dominovať temná energia, ktorá urýchlila expanziu, čo sťažuje šírenie všetkých fyzikálnych interakcií vo voľnom priestore. Výsledkom bolo, že $\alpha$ sa opäť stal takmer konštantným.

Opísaný obrázok je v súlade s našimi pozorovaniami. Spektrálne čiary kvazaru charakterizujú obdobie kozmickej histórie, keď dominovala hmota a pribúdalo $\alpha$. Výsledky laboratórnych meraní a štúdií v Oklo zodpovedajú obdobiu, keď dominuje tmavá energia a $\alpha$ je konštantná. Zvlášť zaujímavé je ďalšie štúdium vplyvu zmeny $\alpha$ na rádioaktívne prvky v meteoritoch, pretože nám umožňuje študovať prechod medzi dvoma menovanými obdobiami.

Alfa je len začiatok

Ak sa zmení konštanta jemnej štruktúry, potom hmotné predmety musia padať inak. Galileo svojho času formuloval slabý princíp ekvivalencie, podľa ktorého telesá vo vákuu padajú rovnakou rýchlosťou bez ohľadu na to, z čoho sú vyrobené. Ale zmeny v $\alpha$ musia generovať silu pôsobiacu na všetky nabité častice. Čím viac protónov atóm obsahuje vo svojom jadre, tým silnejšie to bude cítiť. Ak sú závery z analýzy výsledkov pozorovaní kvazarov správne, potom by sa zrýchlenie voľného pádu telies vyrobených z rôznych materiálov malo líšiť asi o 1 $\cdot$ $10^(–14)$. To je 100-krát menšie ako to, čo je možné merať v laboratóriu, ale dostatočne veľké na to, aby sa ukázali rozdiely v experimentoch, ako je STEP (Testing the Equivalence Principle in Space).

V predchádzajúcich štúdiách $\alpha $ vedci zanedbávali nehomogenitu vesmíru. Ako všetky galaxie, aj naša Mliečna dráha je v priemere asi miliónkrát hustejšia ako vesmír, takže sa nerozpína ​​spolu s vesmírom. V roku 2003 Barrow a David F. Mota z Cambridge vypočítali, že $\alpha$ sa môže v rámci galaxie správať inak ako v prázdnych oblastiach vesmíru. Len čo sa mladá galaxia skondenzuje a pri relaxácii sa dostane do gravitačnej rovnováhy, $\alpha$ sa vo vnútri galaxie stane konštantným, ale vonku sa naďalej mení. Experimenty na Zemi, ktoré testujú pretrvávanie $\alpha$, teda trpia neobjektívnym výberom podmienok. Musíme ešte prísť na to, ako to ovplyvní overenie princípu slabej ekvivalencie. Zatiaľ neboli pozorované žiadne priestorové variácie $\alpha$. Spoliehajúc sa na homogenitu CMB, Barrow nedávno ukázal, že $\alpha $ sa nelíši o viac ako 1 $\cdot$ $10^(–8)$ medzi oblasťami nebeskej sféry s odstupom $10^o$.

Zostáva nám počkať na objavenie sa nových údajov a nových štúdií, ktoré konečne potvrdia alebo vyvrátia hypotézu o zmene $\alpha $. Výskumníci sa zamerali na túto konštantu jednoducho preto, že účinky spôsobené jej variáciami sú ľahšie viditeľné. Ale ak je $\alpha$ skutočne meniteľný, potom sa musia zmeniť aj ostatné konštanty. V tomto prípade si budeme musieť priznať, že vnútorné mechanizmy prírody sú oveľa komplikovanejšie, ako sme si mysleli.

O AUTOROCH:
John Barrow (John D. Barrow), John Web (John K. Webb) sa zaoberali štúdiom fyzikálnych konštánt v roku 1996 počas spoločného sabaticalu na University of Sussex v Anglicku. Potom Barrow preskúmal nové teoretické možnosti zmeny konštánt a Web sa zaoberal pozorovaním kvazarov. Obaja autori píšu knihy faktu a často vystupujú v televíznych programoch.

Uvažujme o povahe interakcie elementárnych častíc. Častice medzi sebou interagujú výmenou kvánt silových polí a ako bolo doteraz stanovené, v prírode možno pozorovať štyri typy síl, štyri základné interakcie:

silné (jadrové, viažuce protóny a neutróny v jadrách chemických prvkov);

elektromagnetické;

slabé (zodpovedné za relatívne pomalé beta rozpady)

gravitačná (vedúca k Newtonovmu zákonu univerzálnej gravitácie). Gravitačné a elektromagnetické interakcie označujú sily vznikajúce v gravitačných a elektromagnetických poliach. Povaha gravitačnej interakcie, kvantitatívne stanovená Newtonom, ešte nebola úplne stanovená a nie je jasné, ako sa táto akcia prenáša cez priestor.

Jadrové sily súvisiace so silnými interakciami pôsobia na krátke vzdialenosti, asi 10-15 m, v jadrách a zabezpečujú ich stabilitu, prevažujúcu nad odpudivým pôsobením Coulombových síl elektromagnetických polí. Preto sú jadrové sily hlavne príťažlivé sily a pôsobia medzi protónmi ( R- R) a neutróny ( P- P). Existuje tiež interakcia protón-neutrón ( p- P). Keďže tieto častice sú spojené do jednej skupiny nukleónov, táto interakcia sa nazýva aj nukleón-nukleón.

Slabé interakcie sa prejavujú v procesoch jadrového rozpadu alebo širšie - v procesoch interakcie medzi elektrónom a neutrínom (môže existovať aj medzi akýmikoľvek pármi elementárnych častíc).

Ako už vieme, gravitačné a elektromagnetické interakcie sa menia so vzdialenosťou ako 1/ r 2 a sú s dlhým dosahom. Jadrové (silné) a slabé interakcie sú krátkeho dosahu. Z hľadiska veľkosti sú hlavné interakcie usporiadané v nasledujúcom poradí: silné (jadrové), elektrické, slabé, gravitačné.

Predpokladá sa, že kvantá - nosiče týchto štyroch silových polí sú: pre silnú interakciu - bezhmotné gluóny (8); pre elektromagnetické - bezhmotné fotóny (svetelné kvantá so spinom 1); pre slabé - bozóny (tri častice sú 90-krát ťažšie ako protón) a pre gravitačné - bezhmotné gravitóny (so spinom 2).

Gluóny lepia a držia kvarky vo vnútri protónov a jadier. Kvantá všetkých týchto polí interakcií majú celočíselné spiny a teda sú to bozóny, na rozdiel od častíc - fermiónov, ktoré majú spin 1/2. Gluóny a kvarky majú zvláštny „náboj“, ktorý sa zvyčajne nazýva „farebný náboj“ alebo jednoducho „farba“. V kvantovej chromodynamike sa za prijateľné považujú iba tri farby – červená, modrá a zelená. Gluóny a kvarky zatiaľ neboli priamo pozorované a predpokladá sa, že farebné kvarky „nemajú právo“ vyletovať z jadier, rovnako ako fonóny – kvantá tepelných vibrácií kryštálovej mriežky atómov – existujú iba vo vnútri pevných látok. Táto vlastnosť viazania alebo zadržiavania kvarkov a gluónov v hadrónoch sa nazýva ohraničenie. Len biele („bezfarebné“) kombinácie kvarkov v podobe hadrónov – baryónov a mezónov, ktoré vznikajú pri jadrových reakciách pri zrážkach rôznych častíc, majú právo vyletieť z jadier a byť pozorované. Je zvláštne, že jediný kvark, ktorý sa objavil v dôsledku niektorých procesov, sa takmer okamžite (do 10 - 21 s) „dokončí“ na hadrón a nemôže z hadrónu vyletieť.

Štyri základné interakcie zodpovedajú štyrom svetovým konštantám. Prevažná väčšina fyzikálnych konštánt má rozmery, ktoré závisia od systému referenčných jednotiek, napríklad v náboji SI (International System of Units - International System). e\u003d 1,6 10 -19 C, jeho hmotnosť t = 9,1 10 -31 kg. V rôznych referenčných systémoch majú základné jednotky rôzne číselné hodnoty a rozmery. Táto situácia nevyhovuje vede, pretože je vhodnejšie mať bezrozmerné konštanty, ktoré nie sú spojené s podmieneným výberom počiatočných jednotiek a referenčných systémov. Okrem toho základné konštanty nie sú odvodené z fyzikálnych teórií, ale sú určené experimentálne. V tomto zmysle nemožno teoretickú fyziku považovať za sebestačnú a úplnú na vysvetlenie vlastností prírody, kým sa nepochopí a nevysvetlí problém spojený so svetovými konštantami.

Analýza rozmerov fyzikálnych konštánt vedie k pochopeniu, že zohrávajú veľmi dôležitú úlohu pri konštrukcii jednotlivých fyzikálnych teórií. Ak sa však pokúsime vytvoriť jednotný teoretický popis všetkých fyzikálnych procesov, t.j. inými slovami sformulovať jednotný vedecký obraz sveta od mikroúrovne po makroúroveň, potom hlavnú určujúcu úlohu by mala zohrať tzv. bezrozmerný, t.j. "pravda" svet, konštanty. Toto sú konštanty hlavných interakcií.

Konštanta gravitačnej interakcie:

Konštanta elektromagnetickej interakcie:

.

Konštanta silnej interakcie:

,

kde - farebný náboj (index „s“ z anglického slova „strong“ - silný.)

Konštanta slabej interakcie:

,

kde g~ 1,4 10 -62 J m 3 - Fermiho konštanta.(Index „w“ z anglického slova „weak“ je slabý.) Všimnite si, že rozmerovú konštantu gravitačnej interakcie získal sám I. Newton: G~ 6,67 10 -11 m 3 s 2 kg -1.

Je známe, že tento zákon univerzálnej gravitácie je nepreukázateľný, pretože bol získaný zovšeobecnením experimentálnych faktov. Navyše, jeho absolútnu platnosť nemožno zaručiť, kým sa nevyjasní samotný mechanizmus gravitácie. Konštanta elektromagnetickej interakcie je zodpovedná za premenu nabitých častíc na rovnaké častice, ale so zmenou rýchlosti ich pohybu a výskytom ďalšej častice - fotónu. Silné a slabé interakcie sa prejavujú v procesoch mikrokozmu, kde sú možné vzájomné premeny častíc. Preto je silná interakcia konštantná kvantitatívne určuje interakcie baryónov. Konštanta slabej interakcie súvisí s intenzitou premien elementárnych častíc za účasti neutrín a antineutrín.

Predpokladá sa, že všetky štyri typy interakcií a ich konštanty určujú súčasnú štruktúru a existenciu vesmíru. Takže gravitácia - udržuje planéty na ich obežných dráhach a telách na Zemi. Elektromagnetické – zadržiava elektróny v atómoch a spája ich do molekúl, z ktorých sa skladáme aj my sami. Slabé – zabezpečuje dlhodobé „spaľovanie“ hviezd a Slnka, ktoré poskytuje energiu pre prúdenie všetkých životných procesov na Zemi. Silná interakcia zabezpečuje stabilnú existenciu väčšiny atómových jadier. Teoretická fyzika ukazuje, že zmena číselných hodnôt týchto alebo iných konštánt vedie k zničeniu stability jedného alebo viacerých štruktúrnych prvkov vesmíru. Napríklad zvýšenie hmotnosti elektrónu m 0 od ~ 0,5 MeV až 0,9 MeV naruší energetickú rovnováhu pri reakcii tvorby deutéria v slnečnom cykle a povedie k destabilizácii stabilných atómov a izotopov. Deutérium je atóm vodíka zložený z protónu a neutrónu. Toto je "ťažký" vodík s A = 2 (trícium má A = 3.) iba 40 % by viedlo k tomu, že deutérium by nebolo stabilné. Tento nárast spôsobí, že biprotón bude stabilný, čo povedie k vyhoreniu vodíka v počiatočných fázach vývoja vesmíru. Neustále sa pohybuje v rozmedzí 1/170< < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение by viedlo k zníženiu životnosti voľných neutrónov. To znamená, že v ranom štádiu vesmíru by sa hélium netvorilo a nedochádzalo by k žiadnej fúznej reakcii častíc α počas syntézy uhlíka 3α. -> 12C. Potom by namiesto nášho uhlíka existoval vodíkový vesmír. Znížiť by viedlo k tomu, že všetky protóny by boli viazané na častice α (héliový vesmír).

V modernej prírodnej vede sa predpokladá, že svetové konštanty sú stabilné počnúc časom 10 - 35 s od okamihu zrodu vesmíru a že teda v našom vesmíre je akoby veľmi presný „montáž“ číselných hodnôt svetových konštánt, ktoré určujú potrebné hodnoty pre existenciu jadier, atómov, hviezd a galaxií. Pôvod a existencia takejto situácie nie je jasná. Takáto „úprava“ (konštanty sú presne také, aké sú!) vytvára podmienky pre existenciu nielen zložitých anorganických, organických, ale aj živých organizmov vrátane človeka. P. Dirac vyjadril myšlienku spoločnej zmeny v čase základných konštánt. Vo všeobecnosti môžeme predpokladať, že rozmanitosť a jednota fyzického sveta, jeho poriadok a harmónia, predvídateľnosť a opakovanie sú formované a riadené systémom malého počtu základných konštánt.