Constante de interacción

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Constante de interacción(a veces se utiliza el término constante de acoplamiento) es un parámetro en la teoría de campos que determina la fuerza relativa de cualquier interacción de partículas o campos. En la teoría cuántica de campos, las constantes de interacción están asociadas con los vértices de los diagramas de interacción correspondientes. Como constantes de interacción se utilizan tanto los parámetros adimensionales como las cantidades asociadas que caracterizan las interacciones y tienen dimensión. Algunos ejemplos son la interacción electromagnética adimensional y la interacción eléctrica, medidas en C.

Comparación de interacciones

Si selecciona un objeto que participa en las cuatro interacciones fundamentales, entonces los valores de las constantes de interacción adimensionales de este objeto, encontradas de acuerdo con la regla general, mostrarán la fuerza relativa de estas interacciones. El protón se utiliza con mayor frecuencia como tal objeto en el nivel de partículas elementales. La energía base para comparar interacciones es la energía electromagnética de un fotón, que por definición es igual a:

donde - , es la velocidad de la luz, es la longitud de onda del fotón. La elección de la energía fotónica no es accidental, ya que la ciencia moderna se basa en un concepto ondulatorio basado en ondas electromagnéticas. Con su ayuda, se realizan todas las mediciones básicas: longitud, tiempo e incluso energía.

Interacción gravitacional

Interacción débil

La energía asociada con la interacción débil se puede representar de la siguiente manera:

donde es la carga efectiva de la interacción débil, es la masa de partículas virtuales consideradas portadoras de la interacción débil (bosones W y Z).

El cuadrado de la carga efectiva de la interacción débil de un protón se expresa en términos de la constante de Fermi J m 3 y la masa del protón:

A distancias suficientemente pequeñas, se puede despreciar la exponencial de la energía de interacción débil. En este caso, la constante de interacción débil adimensional se define de la siguiente manera:

Interacción electromagnética

La interacción electromagnética de dos protones estacionarios se describe mediante energía electrostática:

Dónde - , - .

La relación entre esta energía y la energía del fotón determina la constante de interacción electromagnética, conocida como:

Fuerte interacción

A nivel de hadrones, se considera que el modelo estándar de física de partículas es la interacción "residual" incluida en los hadrones. Se supone que los gluones, como portadores de la interacción fuerte, generan mesones virtuales en el espacio entre hadrones. En el modelo pión-nucleón de Yukawa, las fuerzas nucleares entre nucleones se explican como resultado del intercambio de piones virtuales, y la energía de interacción tiene la siguiente forma:

donde es la carga efectiva de la interacción pseudoescalar pión-nucleón y es la masa del pión.

La constante de interacción fuerte adimensional es:

Constantes en la teoría cuántica de campos.

Los efectos de las interacciones en la teoría de campos a menudo se determinan utilizando la teoría de la perturbación, en la que las funciones de las ecuaciones se expanden en potencias de la constante de interacción. Normalmente, para todas las interacciones excepto las fuertes, la constante de interacción es significativamente menor que la unidad. Esto hace que el uso de la teoría de la perturbación sea efectivo, ya que la contribución de los términos principales de las expansiones disminuye rápidamente y su cálculo se vuelve innecesario. En el caso de una interacción fuerte, la teoría de la perturbación resulta inadecuada y se requieren otros métodos de cálculo.

Una de las predicciones de la teoría cuántica de campos es el llamado efecto de las “constantes flotantes”, según el cual las constantes de interacción cambian lentamente a medida que aumenta la energía transferida durante la interacción de las partículas. Por tanto, la constante de interacción electromagnética aumenta y la constante de interacción fuerte disminuye al aumentar la energía. Para los quarks en cromodinámica cuántica, se introduce su propia constante de interacción fuerte:

¿Dónde está la carga de color efectiva de un quark que emite gluones virtuales para interactuar con otro quark? A medida que disminuye la distancia entre los quarks, lograda en las colisiones de partículas de alta energía, se espera una disminución logarítmica y un debilitamiento de la interacción fuerte (el efecto de la libertad asintótica de los quarks). En la escala de energía transferida del orden de la masa-energía del bosón Z (91,19 GeV), se encuentra que En la misma escala de energía, la constante de interacción electromagnética aumenta a un valor del orden de 1/127 en lugar de ≈1/137 a bajas energías. Se supone que a energías aún más altas, del orden de 10 18 GeV, los valores de las constantes de las interacciones gravitacionales, débiles, electromagnéticas y fuertes de las partículas convergerán e incluso pueden llegar a ser aproximadamente iguales entre sí.

Constantes en otras teorías

Teoria de las cuerdas

En la teoría de cuerdas, las constantes de interacción no se consideran cantidades constantes, sino que son de naturaleza dinámica. En particular, la misma teoría sostiene que a bajas energías las cuerdas se mueven en diez dimensiones, y a altas energías, en once. Un cambio en el número de dimensiones va acompañado de un cambio en las constantes de interacción.

Fuerte gravedad

Junto con las fuerzas electromagnéticas, se consideran los componentes principales de la interacción fuerte. En este modelo, en lugar de considerar la interacción de quarks y gluones, sólo se tienen en cuenta dos campos fundamentales: el gravitacional y el electromagnético, que actúan en la materia cargada y masiva de las partículas elementales, así como en el espacio entre ellas. En este caso, se supone que los quarks y gluones no son partículas reales, sino cuasipartículas que reflejan las propiedades cuánticas y las simetrías inherentes a la materia hadrónica. Este enfoque reduce drásticamente el número récord de teorías físicas de parámetros prácticamente infundados pero postulados libres en el modelo estándar de física de partículas, que tiene al menos 19 de estos parámetros.

Otra consecuencia es que las interacciones débiles y fuertes no se consideran interacciones de campo independientes. La interacción fuerte se reduce a combinaciones de fuerzas gravitacionales y electromagnéticas, en las que los efectos de retardo de la interacción (campos de torsión dipolares y orbitales y fuerzas magnéticas) desempeñan un papel importante. En consecuencia, la constante de interacción fuerte se determina por analogía con la constante de interacción gravitacional:

¡Qué mundo tan inimaginablemente extraño sería si las constantes físicas pudieran cambiar! Por ejemplo, la llamada constante de estructura fina es aproximadamente 1/137. Si tuviera una magnitud diferente, entonces podría no haber diferencia entre materia y energía.

Hay cosas que nunca cambian. Los científicos las llaman constantes físicas o constantes mundiales. Se cree que la velocidad de la luz $c$, la constante gravitacional $G$, la masa del electrón $m_e$ y algunas otras cantidades permanecen siempre y en todas partes sin cambios. Forman la base sobre la que se basan las teorías físicas y determinan la estructura del Universo.

Los físicos están trabajando arduamente para medir las constantes mundiales con una precisión cada vez mayor, pero nadie ha podido explicar de ninguna manera por qué sus valores son como son. En el sistema SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6.673\cdot 10^(–11)Н\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9.10938188\cdot10^( – 31)$ kg son cantidades completamente independientes que tienen una sola propiedad común: si cambian aunque sea un poco, la existencia de estructuras atómicas complejas, incluidos los organismos vivos, estará en duda. El deseo de fundamentar los valores de las constantes se convirtió en uno de los incentivos para el desarrollo de una teoría unificada que describa completamente todos los fenómenos existentes. Con su ayuda, los científicos esperaban demostrar que cada constante mundial sólo puede tener un valor posible, determinado por los mecanismos internos que determinan la engañosa arbitrariedad de la naturaleza.

La mejor candidata para el título de teoría unificada es la teoría M (una variante de la teoría de cuerdas), que puede considerarse válida si el Universo no tiene cuatro dimensiones espacio-temporales, sino once. En consecuencia, es posible que las constantes que observamos no sean verdaderamente fundamentales. Las verdaderas constantes existen en pleno espacio multidimensional y sólo vemos sus “siluetas” tridimensionales.

RESEÑA: CONSTANTES MUNDIALES

1. En muchas ecuaciones físicas hay cantidades que se consideran constantes en todas partes: en el espacio y en el tiempo.

2. Recientemente, los científicos han dudado de la constancia de las constantes mundiales. Al comparar los resultados de las observaciones de los cuásares y las mediciones de laboratorio, concluyen que los elementos químicos del pasado lejano absorbían la luz de forma diferente a como lo hacen hoy. La diferencia puede explicarse por un cambio de unas pocas ppm en la constante de estructura fina.

3. La confirmación de incluso un cambio tan pequeño sería una verdadera revolución en la ciencia. Las constantes observadas pueden resultar ser sólo “siluetas” de constantes verdaderas que existen en el espacio-tiempo multidimensional.

Mientras tanto, los físicos han llegado a la conclusión de que los valores de muchas constantes pueden ser el resultado de eventos aleatorios e interacciones entre partículas elementales en las primeras etapas de la historia del Universo. La teoría de cuerdas permite la existencia de una gran cantidad ($10^(500)$) de mundos con diferentes conjuntos de leyes y constantes autoconsistentes ( véase “El panorama de la teoría de cuerdas”, “En el mundo de la ciencia”, núm. 12, 2004.). Por ahora, los científicos no tienen idea de por qué se seleccionó nuestra combinación. Quizás, como resultado de más investigaciones, el número de mundos lógicamente posibles se reduzca a uno, pero es posible que nuestro Universo sea solo una pequeña sección del multiverso en el que se implementan varias soluciones a las ecuaciones de una teoría unificada. y simplemente estamos observando una de las variantes de las leyes de la naturaleza ( ver “Universos Paralelos”, “En el Mundo de la Ciencia”, No. 8, 2003. En este caso, no hay explicación para muchas constantes mundiales, excepto que constituyen una rara combinación que permite el desarrollo de la conciencia. Quizás el Universo que observamos se haya convertido en uno de los muchos oasis aislados rodeados por la infinidad de espacio sin vida: un lugar surrealista donde dominan fuerzas de la naturaleza completamente ajenas, y partículas como electrones y estructuras como átomos de carbono y moléculas de ADN son simplemente imposibles. Un intento de llegar allí resultaría en una muerte inevitable.

La teoría de cuerdas se desarrolló en parte para explicar la aparente arbitrariedad de las constantes físicas, por lo que sus ecuaciones básicas contienen sólo unos pocos parámetros arbitrarios. Pero hasta ahora no explica los valores observados de las constantes.

gobernante confiable

De hecho, el uso de la palabra "constante" no es del todo legal. Nuestras constantes podrían cambiar en el tiempo y el espacio. Si otras dimensiones espaciales cambiaran de tamaño, las constantes de nuestro mundo tridimensional cambiarían con ellas. Y si miráramos lo suficientemente lejos en el espacio, podríamos ver áreas donde las constantes adquirieron valores diferentes. Desde la década de 1930. Los científicos han especulado que las constantes pueden no ser constantes. La teoría de cuerdas da a esta idea plausibilidad teórica y hace que la búsqueda de la impermanencia sea aún más importante.

El primer problema es que la propia configuración del laboratorio puede ser sensible a cambios en las constantes. Los tamaños de todos los átomos podrían aumentar, pero si la regla utilizada para medir también se hiciera más larga, no se podría decir nada sobre el cambio en los tamaños de los átomos. Los experimentadores suelen suponer que los estándares de cantidades (reglas, pesas, relojes) son constantes, pero esto no se puede lograr cuando se prueban constantes. Los investigadores deberían prestar atención a las constantes adimensionales, simplemente números que no dependen del sistema de unidades de medida, por ejemplo, la relación entre la masa de un protón y la masa de un electrón.

¿Cambia la estructura interna del universo?

De particular interés es la cantidad $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, que combina la velocidad de la luz $c$, la carga eléctrica del electrón $e$, la constante de Planck $h$ y la llamada Constante dieléctrica del vacío $\epsilon_0$. Se llama constante de estructura fina. Fue introducido por primera vez en 1916 por Arnold Sommerfeld, quien fue uno de los primeros en intentar aplicar la mecánica cuántica al electromagnetismo: $\alpha$ conecta las características relativistas (c) y cuánticas (h) de las interacciones electromagnéticas (e) que involucran partículas cargadas. en un espacio vacío ($\epsilon_0$). Las mediciones han demostrado que este valor es igual a 1/137,03599976 (aproximadamente 1/137).

Si $\alpha $ tuviera un significado diferente, entonces todo el mundo que nos rodea cambiaría. Si fuera menor, la densidad de una sustancia sólida formada por átomos disminuiría (en proporción a $\alpha^3 $), los enlaces moleculares se romperían a temperaturas más bajas ($\alpha^2 $) y el número de elementos estables en la tabla periódica podría aumentar ($1/\alpha $). Si $\alpha $ fuera demasiado grande, no podrían existir núcleos atómicos pequeños, porque las fuerzas nucleares que los unen no podrían evitar la repulsión mutua de los protones. En $\alpha >0.1 $ el carbono no podría existir.

Las reacciones nucleares en las estrellas son especialmente sensibles al valor de $\alpha $. Para que se produzca la fusión nuclear, la gravedad de la estrella debe crear una temperatura lo suficientemente alta como para hacer que los núcleos se acerquen, a pesar de su tendencia a repelerse entre sí. Si $\alpha $ excediera 0,1, entonces la síntesis sería imposible (si, por supuesto, otros parámetros, por ejemplo, la relación entre las masas de electrones y protones, permanecieran iguales). Un cambio en $\alpha$ de sólo el 4% afectaría los niveles de energía en el núcleo de carbono hasta tal punto que su creación en las estrellas simplemente cesaría.

Introducción de técnicas nucleares.

Un segundo problema experimental, más serio, es que medir cambios en las constantes requiere equipos de alta precisión que deben ser extremadamente estables. Incluso con la ayuda de relojes atómicos, la deriva de la constante de estructura fina puede controlarse en sólo unos pocos años. Si $\alpha $ cambiara en más de 4 $\cdot$ $10^(–15)$ en tres años, los relojes más precisos detectarían esto. Sin embargo, todavía no se ha registrado nada parecido. Al parecer, ¿por qué no confirmar la constancia? Pero tres años es un momento en el espacio. Los cambios lentos pero significativos a lo largo de la historia del Universo pueden pasar desapercibidos.

LA LUZ Y LA FINA ESTRUCTURA CONSTANTE

Afortunadamente, los físicos han encontrado otras formas de realizar pruebas. En los 1970s Los científicos de la Comisión Francesa de Energía Nuclear observaron algunas peculiaridades en la composición isotópica del mineral de la mina de uranio Oklo en Gabón (África occidental): se parecía a los desechos de un reactor nuclear. Al parecer, hace aproximadamente 2 mil millones de años se formó un reactor nuclear natural en Oklo ( ver “Divine Reactor”, “En el mundo de la ciencia”, No. 1, 2004).

En 1976, Alexander Shlyakhter, del Instituto de Física Nuclear de Leningrado, señaló que el rendimiento de los reactores naturales depende fundamentalmente de la energía precisa del estado específico del núcleo de samario que garantiza la captura de neutrones. Y la energía en sí está fuertemente relacionada con el valor de $\alpha $. Entonces, si la constante de estructura fina hubiera sido ligeramente diferente, no se habría producido ninguna reacción en cadena. Pero realmente sucedió, lo que significa que durante los últimos 2 mil millones de años la constante no ha cambiado en más de 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Los físicos continúan debatiendo los resultados cuantitativos exactos debido a la inevitable incertidumbre sobre las condiciones en un reactor natural).

En 1962, P. James E. Peebles y Robert Dicke de la Universidad de Princeton fueron los primeros en aplicar un análisis de este tipo a meteoritos antiguos: la abundancia relativa de isótopos resultantes de su desintegración radiactiva depende de $\alpha$. La limitación más sensible está asociada con la desintegración beta durante la conversión de renio en osmio. Según un trabajo reciente de Keith Olive de la Universidad de Minnesota y Maxim Pospelov de la Universidad de Victoria en Columbia Británica, en el momento en que se formaron los meteoritos, $\alpha$ difería de su valor actual en 2 $\cdot$ $10^ (– 6)$. Este resultado es menos preciso que los datos de Oklo, pero se remonta a más atrás en el tiempo, al surgimiento del Sistema Solar hace 4.600 millones de años.

Para explorar posibles cambios durante períodos de tiempo aún más largos, los investigadores deben mirar al cielo. La luz de objetos astronómicos distantes tarda miles de millones de años en llegar a nuestros telescopios y lleva la huella de las leyes y constantes mundiales de aquellos tiempos en los que apenas comenzaba su viaje y su interacción con la materia.

Líneas espectrales

Los astrónomos se involucraron en la historia de las constantes poco después del descubrimiento de los quásares en 1965, que acababan de ser descubiertos e identificados como fuentes de luz brillantes ubicadas a grandes distancias de la Tierra. Debido a que el camino de la luz desde el cuásar hasta nosotros es tan largo, inevitablemente cruza las vecindades gaseosas de galaxias jóvenes. El gas absorbe la luz del cuásar en frecuencias específicas, imprimiendo un código de barras de líneas estrechas en su espectro (ver cuadro a continuación).

BÚSQUEDA DE CAMBIOS EN LA RADIACIÓN CUÁSAR

Cuando un gas absorbe luz, los electrones contenidos en los átomos saltan de niveles de energía bajos a niveles de energía más altos. Los niveles de energía están determinados por la fuerza con la que el núcleo atómico retiene los electrones, lo que depende de la fuerza de la interacción electromagnética entre ellos y, por lo tanto, de la estructura fina constante. Si fue diferente en el momento en que se absorbió la luz, o en alguna región específica del Universo donde esto sucedió, entonces la energía requerida para la transición de un electrón a un nuevo nivel, y las longitudes de onda de las transiciones observadas en los espectros, deberían diferir de los observados hoy en experimentos de laboratorio. La naturaleza del cambio de longitudes de onda depende fundamentalmente de la distribución de los electrones en las órbitas atómicas. Para un cambio dado en $\alpha$, algunas longitudes de onda disminuyen y otras aumentan. El complejo patrón de efectos es difícil de confundir con errores de calibración de datos, lo que hace que este experimento sea extremadamente útil.

Cuando empezamos a trabajar hace siete años, nos enfrentamos a dos problemas. En primer lugar, las longitudes de onda de muchas líneas espectrales no se han medido con suficiente precisión. Curiosamente, los científicos sabían mucho más sobre los espectros de los quásares a miles de millones de años luz de distancia que sobre los espectros de muestras terrestres. Necesitábamos mediciones de laboratorio de alta precisión para comparar los espectros de los cuásares y convencimos a los experimentadores para que realizaran las mediciones adecuadas. Fueron llevados a cabo por Anne Thorne y Juliet Pickering del Imperial College de Londres, seguidas por equipos dirigidos por Sveneric Johansson del Observatorio de Lund en Suecia, y Ulf Griesmann y Rainer Rainer Kling del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Maryland.

El segundo problema fue que los observadores anteriores habían utilizado los llamados dobletes alcalinos: pares de líneas de absorción que surgen en gases atómicos de carbono o silicio. Compararon los intervalos entre estas líneas en los espectros del cuásar con mediciones de laboratorio. Sin embargo, este método no permitía el uso de un fenómeno específico: las variaciones en $\alpha $ causan no sólo un cambio en el intervalo entre los niveles de energía de un átomo en relación con el nivel con la energía más baja (el estado fundamental), sino que también un cambio en la posición del propio estado fundamental. De hecho, el segundo efecto es incluso más poderoso que el primero. Como resultado, la precisión de las observaciones fue de solo 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

En 1999, uno de los autores del artículo (Web) y Victor V. Flambaum de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia desarrollaron una técnica para tener en cuenta ambos efectos. Como resultado, la sensibilidad aumentó 10 veces. Además, fue posible comparar diferentes tipos de átomos (por ejemplo, magnesio y hierro) y realizar comprobaciones cruzadas adicionales. Fue necesario realizar cálculos complejos para determinar exactamente cómo variaban las longitudes de onda observadas en diferentes tipos de átomos. Armados con telescopios y sensores modernos, decidimos probar la constancia de $\alpha $ con una precisión sin precedentes utilizando un nuevo método de muchos multipletes.

Revisión de vistas

Al iniciar los experimentos, simplemente queríamos comprobar con mayor precisión que el valor de la constante de estructura fina en la antigüedad era el mismo que en la actualidad. Para nuestra sorpresa, los resultados obtenidos en 1999 mostraron diferencias pequeñas pero estadísticamente significativas, que luego fueron confirmadas. Utilizando datos de 128 líneas de absorción de cuásares, registramos un aumento en $\alpha$ de 6 $\cdot$ $10^(–6)$ durante los últimos 6 a 12 mil millones de años.

Los resultados de las mediciones de la constante de estructura fina no nos permiten sacar conclusiones definitivas. Algunos de ellos indican que alguna vez fue más pequeño de lo que es ahora, y otros no. Quizás α cambió en un pasado lejano, pero ahora se ha vuelto constante. (Los rectángulos representan el rango de cambios de datos).

Las afirmaciones audaces requieren evidencia sustancial, por lo que nuestro primer paso fue revisar minuciosamente nuestros métodos de recopilación y análisis de datos. Los errores de medición se pueden dividir en dos tipos: sistemáticos y aleatorios. Con imprecisiones aleatorias todo es sencillo. En cada medición individual se toman valores diferentes, que, con un gran número de mediciones, se promedian y tienden a cero. Los errores sistemáticos que no se promedian son más difíciles de combatir. En astronomía, este tipo de incertidumbres se encuentran a cada paso. En los experimentos de laboratorio, la configuración de los instrumentos se puede ajustar para minimizar los errores, pero los astrónomos no pueden “afinar” el universo y deben aceptar que todos sus métodos de recopilación de datos contienen sesgos inevitables. Por ejemplo, la distribución espacial observada de las galaxias está notablemente sesgada hacia las galaxias brillantes porque son más fáciles de observar. Identificar y neutralizar tales sesgos es un desafío constante para los observadores.

Primero notamos una posible distorsión en la escala de longitud de onda con respecto a la cual se midieron las líneas espectrales del cuásar. Podría surgir, por ejemplo, durante el procesamiento de resultados "brutos" de la observación de cuásares en un espectro calibrado. Aunque un simple estiramiento o reducción lineal de la escala de longitud de onda no podría simular exactamente el cambio en $\alpha$, incluso una similitud aproximada sería suficiente para explicar los resultados. Eliminamos gradualmente errores simples asociados con distorsiones al sustituir datos de calibración en lugar de los resultados de la observación del cuásar.

Pasamos más de dos años analizando diversas causas de sesgo para asegurarnos de que su impacto fuera insignificante. Sólo encontramos una fuente potencial de errores graves. Estamos hablando de líneas de absorción de magnesio. Cada uno de sus tres isótopos estables absorbe luz con diferentes longitudes de onda, que están muy cerca entre sí y son visibles como una línea en el espectro de los cuásares. Basándose en mediciones de laboratorio de la abundancia relativa de isótopos, los investigadores juzgan la contribución de cada uno de ellos. Su distribución en el Universo joven podría ser significativamente diferente de la actual si las estrellas que emitieran magnesio fueran, en promedio, más pesadas que sus contrapartes actuales. Estas diferencias podrían imitar cambios en $\alpha$, pero los resultados de un estudio publicado este año indican que los hechos observados no son tan fáciles de explicar. Yeshe Fenner y Brad K. Gibson de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia y Michael T. Murphy de la Universidad de Cambridge concluyeron que la abundancia de isótopos necesaria para simular la variación $\alfa$ también conduciría a una síntesis excesiva de nitrógeno en el Universo temprano. lo cual es completamente inconsistente con las observaciones. Entonces tenemos que aceptar la posibilidad de que $\alpha $ haya cambiado.

A VECES CAMBIA, A VECES NO

Según la hipótesis planteada por los autores del artículo, en algunos períodos de la historia cósmica la estructura fina constante se mantuvo sin cambios, y en otros aumentó. Los datos experimentales (ver recuadro anterior) son consistentes con esta suposición.

La comunidad científica apreció inmediatamente la importancia de nuestros resultados. Los investigadores de los espectros de cuásares de todo el mundo comenzaron inmediatamente a realizar mediciones. En 2003, el grupo de investigación de Sergei Levshakov del Instituto de Física y Tecnología de San Petersburgo recibió su nombre. Ioffe y Ralf Quast de la Universidad de Hamburgo estudiaron tres nuevos sistemas de cuásares. El año pasado, Hum Chand y Raghunathan Srianand del Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica de la India, Patrick Petitjean del Instituto de Astrofísica y Bastien Aracil del LERMA de París analizaron otros 23 casos. Ningún grupo encontró un cambio en $\alpha$. Chand sostiene que cualquier cambio hace entre 6 y 10 mil millones de años debe haber sido menos de una parte en un millón.

¿Por qué técnicas similares utilizadas para analizar datos de diferentes fuentes condujeron a una discrepancia tan radical? La respuesta aún se desconoce. Los resultados obtenidos por los investigadores mencionados son de excelente calidad, pero el tamaño de sus muestras y la edad de la radiación analizada son significativamente menores que los nuestros. Además, Chand utilizó una versión simplificada del método multimultiplete y no evaluó completamente todos los errores experimentales y sistemáticos.

El renombrado astrofísico John Bahcall de Princeton ha criticado el método multimultiplete en sí, pero los problemas que destaca entran en la categoría de errores aleatorios, que se minimizan cuando se utilizan muestras grandes. Bacall, así como Jeffrey Newman del Laboratorio Nacional. Lawrence en Berkeley observó las líneas de emisión en lugar de las líneas de absorción. Su enfoque es mucho menos preciso, aunque puede resultar útil en el futuro.

Reforma legislativa

Si nuestros resultados son correctos, las implicaciones serán enormes. Hasta hace poco, todos los intentos de estimar qué le pasaría al Universo si se cambiara la constante de estructura fina fueron insatisfactorios. No fueron más allá de considerar a $\alpha$ como una variable en las mismas fórmulas que se obtuvieron bajo el supuesto de que era constante. De acuerdo, un enfoque muy dudoso. Si $\alpha $ cambia, entonces la energía y el impulso en los efectos asociados con él deberían conservarse, lo que debería afectar el campo gravitacional en el Universo. En 1982, Jacob D. Bekenstein de la Universidad Hebrea de Jerusalén fue el primero en generalizar las leyes del electromagnetismo al caso de constantes no constantes. En su teoría, $\alpha $ se considera un componente dinámico de la naturaleza, es decir. como un campo escalar. Hace cuatro años, uno de nosotros (Barrow), junto con Håvard Sandvik y João Magueijo del Imperial College de Londres, amplió la teoría de Bekenstein para incluir la gravedad.

Las predicciones de la teoría generalizada son tentadoramente simples. Dado que el electromagnetismo a escala cósmica es mucho más débil que la gravedad, los cambios en $\alpha$ de unas pocas partes en un millón no tienen un efecto perceptible en la expansión del Universo. Pero la expansión afecta significativamente a $\alpha $ debido a la discrepancia entre las energías de los campos eléctrico y magnético. Durante las primeras decenas de miles de años de historia cósmica, la radiación dominó las partículas cargadas y mantuvo el equilibrio entre los campos eléctricos y magnéticos. A medida que el Universo se expandió, la radiación se fue enrareciendo y la materia se convirtió en el elemento dominante del espacio. Las energías eléctrica y magnética resultaron ser desiguales y $\alpha $ comenzó a aumentar en proporción al logaritmo del tiempo. Hace unos 6 mil millones de años, la energía oscura comenzó a dominar, acelerando una expansión que dificulta que todas las interacciones físicas se propaguen en el espacio libre. Como resultado, $\alpha$ volvió a ser casi constante.

La imagen descrita es consistente con nuestras observaciones. Las líneas espectrales del cuásar caracterizan ese período de la historia cósmica en el que dominaba la materia y aumentaba $\alpha$. Los resultados de las mediciones y estudios de laboratorio en Oklo corresponden a un período en el que domina la energía oscura y $\alpha$ es constante. Un estudio más detallado de la influencia de los cambios en $\alpha$ sobre los elementos radiactivos en los meteoritos es especialmente interesante, porque nos permite estudiar la transición entre los dos períodos nombrados.

Alfa es solo el comienzo

Si la constante de la estructura fina cambia, entonces los objetos materiales deberían caer de manera diferente. En un momento, Galileo formuló un principio débil de equivalencia, según el cual los cuerpos en el vacío caen con la misma velocidad, independientemente de su composición. Pero los cambios en $\alpha$ deben generar una fuerza que actúe sobre todas las partículas cargadas. Cuantos más protones contenga un átomo en su núcleo, con más fuerza lo sentirá. Si las conclusiones extraídas del análisis de los resultados de la observación de los quásares son correctas, entonces la aceleración de la caída libre de los cuerpos hechos de diferentes materiales debería diferir en aproximadamente 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Esto es 100 veces menos de lo que se puede medir en el laboratorio, pero lo suficientemente grande como para detectar diferencias en experimentos como STEP (Prueba del principio de equivalencia espacial).

En estudios $\alpha $ anteriores, los científicos descuidaron la heterogeneidad del Universo. Como todas las galaxias, nuestra Vía Láctea es aproximadamente un millón de veces más densa que el espacio promedio, por lo que no se expande junto con el Universo. En 2003, Barrow y David F. Mota de Cambridge calcularon que $\alpha$ puede comportarse de manera diferente dentro de una galaxia y en regiones más vacías del espacio. Tan pronto como una galaxia joven se vuelve más densa y, al relajarse, alcanza el equilibrio gravitacional, $\alpha$ se vuelve constante dentro de la galaxia, pero continúa cambiando en el exterior. Por lo tanto, los experimentos en la Tierra que prueban la constancia de $\alpha$ adolecen de una selección sesgada de condiciones. Todavía tenemos que descubrir cómo afecta esto a la verificación del principio de equivalencia débil. Aún no se han observado variaciones espaciales de $\alpha$. Basándose en la homogeneidad del CMB, Barrow demostró recientemente que $\alpha $ no varía en más de 1 $\cdot$ $10^(–8)$ entre regiones de la esfera celeste separadas por $10^o$.

Sólo nos queda esperar a que aparezcan nuevos datos y se realicen nuevos estudios que finalmente confirmen o refuten la hipótesis sobre el cambio en $\alpha $. Los investigadores se han centrado en esta constante simplemente porque los efectos debidos a sus variaciones son más fáciles de ver. Pero si $\alpha $ es realmente inestable, entonces otras constantes también deben cambiar. En este caso tendremos que admitir que los mecanismos internos de la naturaleza son mucho más complejos de lo que imaginábamos.

SOBRE LOS AUTORES:
John D. Barrow y John K. Webb comenzaron a investigar constantes físicas en 1996 durante un año sabático conjunto en la Universidad de Sussex en Inglaterra. Luego, Barrow exploró nuevas posibilidades teóricas para cambiar las constantes y Web se dedicó a observaciones de cuásares. Ambos autores escriben libros de no ficción y aparecen frecuentemente en programas de televisión.

“Resumamos algunos resultados. El libro de referencia "Tablas de cantidades físicas" (Moscú: Atomizdat, 1976) contiene 1005 páginas de texto y muchos millones de números; ¿Cómo entenderlos?

Estas cantidades se dividen en al menos cuatro tipos.

a) Unidades de medida naturales, o puntos de espectros marcados físicamente. Estos no son números, sino cantidades como G, c, h, m e, e (carga electrónica). Son las características dimensionales de ciertos fenómenos que pueden reproducirse muchas veces, con un alto grado de precisión. Esto es un reflejo del hecho de que la naturaleza reproduce situaciones elementales en grandes series. Las reflexiones sobre la identidad de esos componentes básicos del universo a veces condujeron a ideas físicas tan profundas como las estadísticas de Bose-Einstein y Fermi-Dirac. La fantástica idea de Wheeler de que todos los electrones son idénticos porque representan secciones instantáneas de la enredada línea mundial de un electrón condujo a feynman a una elegante simplificación de la técnica de cálculo esquemático en la teoría cuántica de campos.

b) Constantes verdaderas o adimensionales. Estas son las proporciones de varios puntos marcados en el espectro de una cantidad de una dimensión, por ejemplo, la proporción de las masas de partículas eléctricas: ya hemos mencionado m p / m e. La identificación de diferentes dimensiones teniendo en cuenta la nueva ley, es decir, la reducción del grupo de dimensiones, conduce a la unificación de espectros previamente diferentes y a la necesidad de explicar nuevos números.

Por ejemplo, las dimensiones m e , c y h generan el grupo de Newton y por lo tanto conducen a las mismas unidades atómicas naturales de dimensiones M, L, T que las unidades de Planck. Por tanto, su relación con las unidades de Planck requiere una explicación teórica pero, como dijimos, esto es imposible hasta que exista una teoría (G, c, h). Sin embargo, en la teoría (m e, c, h), la electrodinámica cuántica, hay una cantidad adimensional, cuyo valor la electrodinámica cuántica moderna, en cierto sentido de la palabra, debe su existencia. Coloquemos dos electrones a una distancia h/ m e c (la llamada longitud de onda Compton del electrón) y midamos la relación entre la energía de su repulsión electrostática y la energía m e c 2, equivalente a la masa en reposo del electrón. El resultado es a = 7,2972 x 10 -3 ≈ 1/137. Ésta es la famosa constante de estructura fina.

La electrodinámica cuántica describe, en particular, procesos en los que el número de partículas no se conserva: el vacío genera pares electrón-positrón, que se aniquilan. Debido a que la energía de producción (al menos 2 m e c 2) es cientos de veces mayor que la energía de la interacción característica de Coulomb (debido al valor de a), es posible realizar un esquema de cálculo eficaz en el que Estas correcciones radiativas no se descartan por completo, pero tampoco “estropean irremediablemente la vida” del teórico.

No existe una explicación teórica para el valor de α. Los matemáticos tienen sus propios espectros maravillosos: espectros de distinguidos operadores-generadores lineales de grupos de Lie simples en representaciones irreducibles, volúmenes de dominios fundamentales, dimensiones de espacios de homología y cohomología, etc. El margen para la imaginación, identificando los espectros de los matemáticos y los espectros de físicos, es abierto; más bien se necesitan principios que limiten la elección. Pero volvamos a las constantes.

El siguiente tipo de ellos, que ocupa mucho espacio en las mesas, es:

c) Factores de conversión de una escala a otra, por ejemplo, de atómica a “humana”. Estos incluyen: el número ya mencionado Avogadro N0 = 6,02 x 1023: esencialmente un gramo expresado en unidades de "masa de protón", aunque la definición tradicional es ligeramente diferente, al igual que cosas como años luz en kilómetros. Lo más repugnante para un matemático aquí, por supuesto, son los coeficientes de transición de una unidad físicamente sin sentido a otra, igualmente sin sentido: de codos a pies o de Réaumur a Fahrenheit. En términos humanos, estos son a veces los números más importantes; como señaló sabiamente Winnie the Pooh: “No sé cuántos litros, metros y kilogramos hay en él, pero los tigres, cuando saltan, nos parecen enormes”.

d) “Espectros difusos”. Se trata de las características de los materiales (no elementos o compuestos puros, sino grados tecnológicos ordinarios de acero, aluminio, cobre), datos astronómicos (masa del Sol, diámetro de la galaxia...) y muchos otros del mismo tipo. La naturaleza produce piedras, planetas, estrellas y galaxias, sin preocuparse por su uniformidad, a diferencia de los electrones, pero aun así sus características cambian sólo dentro de límites bastante ciertos. Las explicaciones teóricas de estas "zonas permitidas", una vez conocidas, pueden ser muy interesantes e instructivas."

Manin Yu.I., Las matemáticas como metáfora, M., “Editorial MCNMO”, 2010, p. 177-179.

Consideremos la naturaleza de la interacción de partículas elementales. Las partículas interactúan entre sí intercambiando cuantos de campos de fuerza y, como se ha establecido hasta la fecha, en la naturaleza se observan cuatro tipos de fuerzas, cuatro interacciones fundamentales:

fuerte (nuclear, que une protones y neutrones en los núcleos de elementos químicos);

electromagnético;

débil (responsable de desintegraciones beta relativamente lentas)

gravitacional (que conduce a la ley de gravitación universal de Newton). Las interacciones gravitacionales y electromagnéticas se refieren a fuerzas que ocurren en campos gravitacionales y electromagnéticos. La naturaleza de la interacción gravitacional, establecida cuantitativamente por Newton, aún no está completamente determinada y no está claro cómo se transmite esta acción a través del espacio.

Las fuerzas nucleares relacionadas con interacciones fuertes actúan a distancias cortas, unos 10-15 m, en los núcleos y aseguran su estabilidad, prevaleciendo sobre el efecto repulsivo de las fuerzas de Coulomb de los campos electromagnéticos. Por tanto, las fuerzas nucleares son principalmente fuerzas de atracción y actúan entre protones ( R- R) y neutrones ( PAG- PAG). También hay una interacción protón-neutrón ( pag- PAG). Dado que estas partículas se combinan en un grupo de nucleones, esta interacción también se llama nucleón-nucleón.

Las interacciones débiles se manifiestan en los procesos de desintegración nuclear o, más ampliamente, en los procesos de interacción entre un electrón y un neutrino (también puede existir entre cualquier par de partículas elementales).

Como ya sabemos, las interacciones gravitacionales y electromagnéticas cambian con la distancia como 1/ r 2 y son de largo alcance. Las interacciones nucleares (fuertes) y débiles son de corto alcance. Según su magnitud, las principales interacciones se organizan en el siguiente orden: fuerte (nuclear), eléctrica, débil, gravitacional.

Se supone que los cuantos - portadores de estos cuatro campos de fuerza son, respectivamente: para interacción fuerte - gluones sin masa (8); para electromagnéticos: fotones sin masa (cuantos de luz con espín 1); para los débiles: bosones (tres partículas 90 veces más pesadas que un protón) y para los gravitacionales, gravitones sin masa (con espín 2).

Los gluones pegan y retienen los quarks dentro de los protones y los núcleos. Los cuantos de todos estos campos de interacción tienen espines enteros y, por lo tanto, son bosones, a diferencia de las partículas, los fermiones, que tienen un espín de 1/2. Los gluones y los quarks tienen una especie de “carga”, que suele denominarse “carga de color” o simplemente “color”. En cromodinámica cuántica, sólo tres colores se consideran aceptables: rojo, azul y verde. Los gluones y los quarks aún no se han observado directamente y se cree que los quarks coloreados "no tienen derecho" a volar desde los núcleos, al igual que los fonones, cuantos de vibraciones térmicas de la red cristalina de los átomos, existen sólo dentro de cuerpos sólidos. . Esta propiedad de unir o confinar quarks y gluones en hadrones se llama confinamiento. Sólo las combinaciones blancas ("incoloras") de quarks en forma de hadrones, bariones y mesones, que surgen en reacciones nucleares durante las colisiones de varias partículas, tienen derecho a salir volando de los núcleos y ser observadas. Es curioso que un solo quark, que aparece como resultado de algunos procesos, casi instantáneamente (en 10 -21 s) se "completa" en un hadrón y ya no puede salir volando del hadrón.

Las cuatro interacciones fundamentales corresponden a cuatro constantes mundiales. La abrumadora cantidad de constantes físicas tienen dimensiones que dependen del sistema de unidades de referencia, por ejemplo, en la carga SI (Sistema Internacional de Unidades - Sistema Internacional). mi=1,6 10 -19 C, su masa t= 9,1 · 10-31 kg. En diferentes sistemas de referencia, las unidades básicas tienen diferentes valores numéricos y dimensiones. Esta situación no es adecuada para la ciencia, ya que es más conveniente tener constantes adimensionales que no estén asociadas con la elección condicional de unidades iniciales y sistemas de referencia. Además, las constantes fundamentales no se derivan de teorías físicas, sino que se determinan experimentalmente. En este sentido, la física teórica no puede considerarse autosuficiente y completa para explicar las propiedades de la naturaleza hasta que se comprenda y explique el problema asociado con las constantes mundiales.

El análisis de las dimensiones de las constantes físicas lleva a comprender que juegan un papel muy importante en la construcción de teorías físicas individuales. Sin embargo, si intentamos crear una descripción teórica unificada de todos los procesos físicos, es decir, en otras palabras, formular una imagen científica unificada del mundo desde el nivel micro al macro, entonces el papel principal y determinante debería desempeñarlo adimensional. , es decir. "verdadero" mundo, constantes. Estas son las constantes de las principales interacciones.

Constante de interacción gravitacional:

Constante de interacción electromagnética:

.

Fuerte interacción constante:

,

Dónde - carga de color (índice "s" de la palabra inglesa "strong" - fuerte).

Constante de interacción débil:

,

Dónde g ~ 1,4 10 -62 J m 3 - Constante de Fermi.(El índice "w" de la palabra inglesa "débil" es débil). Tenga en cuenta que la constante dimensional de la interacción gravitacional fue obtenida por el propio I. Newton: GRAMO~ 6.67·10 -11 m 3 ·s 2 ·kg -1.

Se sabe que esta ley de la gravitación universal es indemostrable, ya que se obtuvo generalizando hechos experimentales. Además, su justicia absoluta no puede garantizarse hasta que se aclare el propio mecanismo de gravedad. La constante de interacción electromagnética es responsable de la transformación de partículas cargadas en las mismas partículas, pero con un cambio en la velocidad de su movimiento y la aparición de una partícula adicional: un fotón. Las interacciones fuertes y débiles se manifiestan en procesos del micromundo, donde son posibles las interconversiones de partículas. Por lo tanto, la constante de interacción fuerte cuantifica las interacciones bariónicas. Constante de interacción débil está asociado con la intensidad de las transformaciones de partículas elementales con la participación de neutrinos y antineutrinos.

Se cree que los cuatro tipos de interacción y sus constantes determinan la estructura actual y la existencia del Universo. Por tanto, la gravedad mantiene a los planetas en sus órbitas y a los cuerpos de la Tierra. Electromagnético: retiene los electrones en los átomos y los conecta en moléculas de las que estamos hechos nosotros mismos. Débil: asegura la "quema" a largo plazo de las estrellas y el Sol, lo que proporciona energía para todos los procesos de vida en la Tierra. La interacción fuerte asegura la existencia estable de la mayoría de los núcleos atómicos. La física teórica muestra que cambiar los valores numéricos de ciertas constantes conduce a la destrucción de la estabilidad de uno o más elementos estructurales del Universo. Por ejemplo, un aumento en la masa del electrón. metro 0 de ~ De 0,5 MeV a 0,9 MeV alterarán el equilibrio energético en la reacción de producción de deuterio en el ciclo solar y provocarán la desestabilización de átomos e isótopos estables. El deuterio es un átomo de hidrógeno formado por un protón y un neutrón. Este es hidrógeno "pesado" con A = 2 (el tritio tiene A = 3). Disminuir sólo el 40% daría como resultado que el deuterio fuera inestable. El aumento estabilizará el biprotón, lo que provocará la quema de hidrógeno en las primeras etapas de la evolución del Universo. Constante varía dentro de 1/170< < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение conduciría a una disminución en la vida útil de los neutrones libres. Esto significa que en las primeras etapas del Universo, no se habría formado helio y no habría habido reacción de fusión de partículas α durante la síntesis del carbono 3α. -> 12C. Entonces, en lugar de nuestro Universo de carbono, habría un Universo de hidrógeno. Disminuir conduciría al hecho de que todos los protones estarían unidos en partículas α (Universo de helio).

En las ciencias naturales modernas se supone que las constantes mundiales son estables a partir de un tiempo de 10 a 35 s desde el momento del nacimiento del Universo y que, por tanto, en nuestro Universo existe, por así decirlo, una muy precisa ". ajuste” de los valores numéricos de las constantes mundiales que determinan los valores necesarios para la existencia de núcleos y átomos, estrellas y galaxias. La ocurrencia y existencia de tal situación no está clara. Este “ajuste” (¡las constantes son exactamente lo que son!) crea las condiciones para la existencia no sólo de organismos complejos inorgánicos y orgánicos, sino también de organismos vivos, incluidos los humanos. P. Dirac expresó la idea de un cambio conjunto en el tiempo de constantes fundamentales. En general, podemos suponer que la diversidad y unidad del mundo físico, su orden y armonía, su previsibilidad y repetibilidad están formados y controlados por un sistema de un pequeño número de constantes fundamentales.