Constante d'interaction

Matériel de l'encyclopédie russe gratuite « Tradition »

Constante d'interaction(parfois le terme est utilisé constante de couplage) est un paramètre de la théorie des champs qui détermine la force relative de toute interaction de particules ou de champs. Dans la théorie quantique des champs, les constantes d'interaction sont associées aux sommets des diagrammes d'interaction correspondants. Les paramètres sans dimension et les quantités associées qui caractérisent les interactions et ont une dimension sont utilisés comme constantes d'interaction. Des exemples sont l'interaction électromagnétique sans dimension et l'interaction électrique, mesurées en C.

Comparaison des interactions

Si vous sélectionnez un objet qui participe aux quatre interactions fondamentales, alors les valeurs des constantes d'interaction sans dimension de cet objet, trouvées selon la règle générale, montreront la force relative de ces interactions. Le proton est le plus souvent utilisé comme tel objet au niveau des particules élémentaires. L'énergie de base pour comparer les interactions est l'énergie électromagnétique d'un photon, qui par définition est égale à :

où - , est la vitesse de la lumière, est la longueur d'onde du photon. Le choix de l’énergie photonique n’est pas accidentel, puisque la science moderne repose sur un concept ondulatoire basé sur les ondes électromagnétiques. Avec leur aide, toutes les mesures de base sont effectuées - longueur, temps et énergie comprise.

Interaction gravitationnelle

Faible interaction

L’énergie associée à l’interaction faible peut être représentée comme suit :

où est la charge effective de l'interaction faible, est la masse des particules virtuelles considérées comme porteuses de l'interaction faible (bosons W et Z).

Le carré de la charge effective de l'interaction faible pour un proton est exprimé en termes de constante de Fermi J m 3 et de masse du proton :

À des distances suffisamment petites, l’exponentielle de l’énergie d’interaction faible peut être négligée. Dans ce cas, la constante d’interaction faible sans dimension est définie comme suit :

Interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique de deux protons stationnaires est décrite par l'énergie électrostatique :

Où - , - .

Le rapport de cette énergie à l’énergie des photons détermine la constante d’interaction électromagnétique, connue sous le nom de :

Forte interaction

Au niveau des hadrons, le modèle standard de la physique des particules est considéré comme l'interaction « résiduelle » incluse dans les hadrons. On suppose que les gluons, en tant que porteurs de l'interaction forte, génèrent des mésons virtuels dans l'espace entre les hadrons. Dans le modèle pion-nucléon de Yukawa, les forces nucléaires entre nucléons s'expliquent par l'échange de pions virtuels, et l'énergie d'interaction a la forme suivante :

où est la charge effective de l’interaction pseudoscalaire pion-nucléon et est la masse du pion.

La constante d’interaction forte sans dimension est :

Constantes dans la théorie quantique des champs

Les effets des interactions dans la théorie des champs sont souvent déterminés à l'aide de la théorie des perturbations, dans laquelle les fonctions des équations sont développées en puissances de la constante d'interaction. En règle générale, pour toutes les interactions, à l’exception des interactions fortes, la constante d’interaction est nettement inférieure à l’unité. Cela rend l'utilisation de la théorie des perturbations efficace, puisque la contribution des termes principaux des développements diminue rapidement et leur calcul devient inutile. Dans le cas d’interactions fortes, la théorie des perturbations devient inadaptée et d’autres méthodes de calcul sont nécessaires.

L'une des prédictions de la théorie quantique des champs est l'effet dit des « constantes flottantes », selon lequel les constantes d'interaction changent lentement avec l'augmentation de l'énergie transférée lors de l'interaction des particules. Ainsi, la constante d’interaction électromagnétique augmente et la constante d’interaction forte diminue avec l’augmentation de l’énergie. Pour les quarks en chromodynamique quantique, leur propre constante d'interaction forte est introduite :

où est la charge de couleur effective d'un quark émettant des gluons virtuels pour interagir avec un autre quark. À mesure que la distance entre les quarks diminue, obtenue lors de collisions de particules de haute énergie, on s'attend à une diminution logarithmique et à un affaiblissement de l'interaction forte (effet de la liberté asymptotique des quarks). A l'échelle de l'énergie transférée, de l'ordre de l'énergie-masse du boson Z (91,19 GeV), on constate que A la même échelle d'énergie, la constante d'interaction électromagnétique augmente jusqu'à une valeur de l'ordre de 1/127 au lieu de ≈1/137 aux basses énergies. On suppose qu'à des énergies encore plus élevées, de l'ordre de 10 à 18 GeV, les valeurs des constantes des interactions gravitationnelles, faibles, électromagnétiques et fortes des particules convergeront et pourront même devenir approximativement égales les unes aux autres.

Constantes dans d'autres théories

La théorie des cordes

Dans la théorie des cordes, les constantes d’interaction ne sont pas considérées comme des quantités constantes, mais sont de nature dynamique. En particulier, selon la même théorie, aux basses énergies, les cordes se déplacent dans dix dimensions, et aux hautes énergies, dans onze dimensions. Un changement dans le nombre de dimensions s'accompagne d'un changement dans les constantes d'interaction.

Forte gravité

Avec et les forces électromagnétiques sont considérées comme les principales composantes de l'interaction forte. Dans ce modèle, au lieu de considérer l'interaction des quarks et des gluons, seuls deux champs fondamentaux sont pris en compte : le gravitationnel et l'électromagnétique, qui agissent dans la matière chargée et massée des particules élémentaires, ainsi que dans l'espace qui les sépare. Dans ce cas, les quarks et les gluons ne sont pas supposés être de véritables particules, mais des quasiparticules reflétant les propriétés quantiques et les symétries inhérentes à la matière hadronique. Cette approche réduit considérablement le nombre record de théories physiques de paramètres libres, pratiquement infondés mais postulés, dans le modèle standard de la physique des particules, qui compte au moins 19 de ces paramètres.

Une autre conséquence est que les interactions faibles et fortes ne sont pas considérées comme des interactions de champ indépendantes. Une interaction forte se résume à des combinaisons de forces gravitationnelles et électromagnétiques, dans lesquelles les effets de retard d’interaction (champs de torsion dipolaires et orbitaux et forces magnétiques) jouent un rôle important. En conséquence, la constante d'interaction forte est déterminée par analogie avec la constante d'interaction gravitationnelle :

Quel monde incroyablement étrange ce serait si les constantes physiques pouvaient changer ! Par exemple, la constante de structure fine est d'environ 1/137. Si sa magnitude était différente, il n’y aurait peut-être aucune différence entre la matière et l’énergie.

Il y a des choses qui ne changent jamais. Les scientifiques les appellent des constantes physiques ou des constantes mondiales. On pense que la vitesse de la lumière $c$, la constante gravitationnelle $G$, la masse électronique $m_e$ et certaines autres quantités restent toujours et partout inchangées. Ils constituent la base sur laquelle reposent les théories physiques et déterminent la structure de l’Univers.

Les physiciens travaillent dur pour mesurer les constantes mondiales avec une précision toujours croissante, mais personne n'a encore été en mesure d'expliquer de quelque manière que ce soit pourquoi leurs valeurs sont telles qu'elles sont. Dans le système SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)Н\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( – 31)$ kg sont des quantités totalement indépendantes qui n'ont qu'une propriété commune : si elles changent ne serait-ce qu'un peu, l'existence de structures atomiques complexes, y compris d'organismes vivants, sera remise en question. Le désir de justifier les valeurs des constantes est devenu l'une des incitations au développement d'une théorie unifiée qui décrit pleinement tous les phénomènes existants. Avec son aide, les scientifiques espéraient montrer que chaque constante mondiale ne peut avoir qu'une seule valeur possible, déterminée par les mécanismes internes qui déterminent l'arbitraire trompeur de la nature.

Le meilleur candidat pour le titre de théorie unifiée est considéré comme la théorie M (une variante de la théorie des cordes), qui peut être considérée comme valable si l'Univers n'a pas quatre dimensions espace-temps, mais onze. Par conséquent, les constantes que nous observons ne sont peut-être pas véritablement fondamentales. Les vraies constantes existent dans l’espace multidimensionnel complet, et nous ne voyons que leurs « silhouettes » tridimensionnelles.

REVUE : CONSTANTES MONDIALES

1. Dans de nombreuses équations physiques, certaines quantités sont considérées comme constantes partout – dans l’espace et dans le temps.

2. Récemment, les scientifiques ont mis en doute la constance des constantes mondiales. En comparant les résultats des observations de quasars et des mesures en laboratoire, ils concluent que les éléments chimiques d’un passé lointain absorbaient la lumière différemment qu’aujourd’hui. La différence peut s'expliquer par une modification de quelques ppm de la constante de structure fine.

3. La confirmation d’un changement, même minime, constituerait une véritable révolution scientifique. Les constantes observées peuvent s’avérer n’être que des « silhouettes » de véritables constantes existant dans l’espace-temps multidimensionnel.

Pendant ce temps, les physiciens sont arrivés à la conclusion que les valeurs de nombreuses constantes peuvent être le résultat d'événements aléatoires et d'interactions entre particules élémentaires aux premiers stades de l'histoire de l'Univers. La théorie des cordes permet l'existence d'un grand nombre ($10^(500)$) de mondes avec différents ensembles de lois et de constantes auto-cohérentes ( voir « Le paysage de la théorie des cordes », « Dans le monde de la science », n° 12, 2004.). Pour l’instant, les scientifiques n’ont aucune idée de la raison pour laquelle notre combinaison a été sélectionnée. Peut-être qu'à la suite de recherches ultérieures, le nombre de mondes logiquement possibles sera réduit à un, mais il est possible que notre Univers ne soit qu'une petite partie du multivers dans laquelle sont réalisées diverses solutions aux équations d'une théorie unifiée, et nous observons simplement une des variantes des lois de la nature ( voir « Univers parallèles », « Dans le monde de la science », n° 8, 2003. Dans ce cas, il n’y a pas d’explication à de nombreuses constantes du monde, si ce n’est qu’elles constituent une combinaison rare permettant le développement de la conscience. Peut-être que l'Univers que nous observons est devenu l'une des nombreuses oasis isolées entourées par l'infinité d'un espace sans vie - un lieu surréaliste où dominent des forces de la nature complètement étrangères et où les particules comme les électrons et les structures comme les atomes de carbone et les molécules d'ADN sont tout simplement impossibles. Tenter d’y parvenir entraînerait une mort inévitable.

La théorie des cordes a été développée en partie pour expliquer le caractère apparemment arbitraire des constantes physiques, de sorte que ses équations de base ne contiennent que quelques paramètres arbitraires. Mais jusqu’à présent, cela n’explique pas les valeurs observées des constantes.

Règle fiable

En fait, l’utilisation du mot « constante » n’est pas entièrement légale. Nos constantes pourraient changer dans le temps et dans l’espace. Si des dimensions spatiales supplémentaires changeaient de taille, les constantes de notre monde tridimensionnel changeraient avec elles. Et si nous regardions assez loin dans l’espace, nous pourrions voir des zones où les constantes prenaient des valeurs différentes. Depuis les années 1930. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que les constantes pourraient ne pas être constantes. La théorie des cordes donne à cette idée une plausibilité théorique et rend la recherche de l’impermanence d’autant plus importante.

Le premier problème est que la configuration du laboratoire elle-même peut être sensible aux changements de constantes. La taille de tous les atomes pourrait augmenter, mais si la règle utilisée pour les mesures devenait également plus longue, on ne pourrait rien dire sur le changement dans la taille des atomes. Les expérimentateurs supposent généralement que les normes de quantités (règles, poids, montres) sont constantes, mais cela ne peut pas être réalisé en testant des constantes. Les chercheurs doivent prêter attention aux constantes sans dimension - simplement des nombres qui ne dépendent pas du système d'unités de mesure, par exemple le rapport entre la masse d'un proton et la masse d'un électron.

La structure interne de l’univers est-elle en train de changer ?

La quantité $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$ est particulièrement intéressante, qui combine la vitesse de la lumière $c$, la charge électrique de l'électron $e$, la constante de Planck $h$ et ce qu'on appelle constante diélectrique du vide $\epsilon_0$. C’est ce qu’on appelle la constante de structure fine. Il a été introduit pour la première fois en 1916 par Arnold Sommerfeld, qui fut l'un des premiers à tenter d'appliquer la mécanique quantique à l'électromagnétisme : $\alpha$ relie les caractéristiques relativistes (c) et quantiques (h) des interactions électromagnétiques (e) impliquant des particules chargées. dans un espace vide ($\epsilon_0$). Les mesures ont montré que cette valeur est égale à 1/137,03599976 (environ 1/137).

Si $\alpha $ avait une signification différente, alors le monde entier qui nous entoure changerait. Si elle était inférieure, la densité d'une substance solide constituée d'atomes diminuerait (proportionnellement à $\alpha^3 $), les liaisons moléculaires se briseraient à des températures plus basses ($\alpha^2 $) et le nombre d'éléments stables dans le tableau périodique pourrait augmenter ($1/\alpha $). Si $\alpha $ était trop gros, les petits noyaux atomiques ne pourraient pas exister, car les forces nucléaires qui les lient ne pourraient pas empêcher la répulsion mutuelle des protons. À $\alpha >0,1 $, le carbone ne pourrait pas exister.

Les réactions nucléaires dans les étoiles sont particulièrement sensibles à la valeur de $\alpha $. Pour que la fusion nucléaire se produise, la gravité de l’étoile doit créer une température suffisamment élevée pour rapprocher les noyaux, malgré leur tendance à se repousser. Si $\alpha $ dépassait 0,1, alors la synthèse serait impossible (si, bien sûr, d'autres paramètres, par exemple le rapport des masses des électrons et des protons, restaient les mêmes). Un changement de $\alpha$ de seulement 4 % affecterait les niveaux d'énergie dans le noyau de carbone à tel point que sa création dans les étoiles cesserait tout simplement.

Introduction aux techniques nucléaires

Un deuxième problème expérimental, plus grave, est que la mesure des changements de constantes nécessite un équipement très précis qui doit être extrêmement stable. Même à l’aide d’horloges atomiques, la dérive de la constante de structure fine peut être surveillée sur quelques années seulement. Si $\alpha $ changeait de plus de 4 $\cdot$ $10^(–15)$ en trois ans, les horloges les plus précises le détecteraient. Cependant, rien de tel n’a encore été enregistré. Il semblerait, pourquoi ne pas confirmer la constance ? Mais trois ans, c'est un moment dans l'espace. Des changements lents mais significatifs au cours de l’histoire de l’Univers peuvent passer inaperçus.

LA LUMIÈRE ET LA STRUCTURE FINE CONSTANTE

Heureusement, les physiciens ont trouvé d’autres moyens de tester. Dans les années 1970 Des scientifiques de la Commission française de l'énergie nucléaire ont remarqué certaines particularités dans la composition isotopique du minerai de la mine d'uranium d'Oklo au Gabon (Afrique de l'Ouest) : il ressemble à des déchets de réacteur nucléaire. Apparemment, il y a environ 2 milliards d'années, un réacteur nucléaire naturel s'est formé à Oklo ( voir « Divine Reactor », « Dans le monde de la science », n° 1, 2004).

En 1976, Alexander Shlyakhter de l'Institut de physique nucléaire de Leningrad a noté que les performances des réacteurs naturels dépendent de manière cruciale de l'énergie précise de l'état spécifique du noyau samarium qui assure la capture des neutrons. Et l'énergie elle-même est fortement liée à la valeur de $\alpha $. Ainsi, si la constante de structure fine avait été légèrement différente, aucune réaction en chaîne n’aurait pu se produire. Mais c'est réellement arrivé, ce qui signifie qu'au cours des 2 derniers milliards d'années, la constante n'a pas changé de plus de 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Les physiciens continuent de débattre des résultats quantitatifs exacts en raison de l’inévitable incertitude sur les conditions dans un réacteur naturel.)

En 1962, P. James E. Peebles et Robert Dicke de l'Université de Princeton furent les premiers à appliquer une telle analyse aux météorites anciennes : l'abondance relative des isotopes résultant de leur désintégration radioactive dépend de $\alpha$. La limitation la plus sensible est associée à la désintégration bêta lors de la conversion du rhénium en osmium. Selon des travaux récents de Keith Olive de l'Université du Minnesota et Maxim Pospelov de l'Université de Victoria en Colombie-Britannique, au moment de la formation des météorites, $\alpha$ différait de sa valeur actuelle de 2 $\cdot$ $10^ (– 6)$. Ce résultat est moins précis que les données d'Oklo, mais il remonte plus loin dans le temps, jusqu'à l'émergence du système solaire il y a 4,6 milliards d'années.

Pour explorer les changements possibles sur des périodes encore plus longues, les chercheurs doivent se tourner vers le ciel. La lumière provenant d'objets astronomiques lointains met des milliards d'années pour atteindre nos télescopes et porte l'empreinte des lois et des constantes mondiales de l'époque où elle venait tout juste de commencer son voyage et son interaction avec la matière.

Lignes spectrales

Les astronomes se sont impliqués dans l'histoire des constantes peu après la découverte des quasars en 1965, qui venaient d'être découverts et identifiés comme des sources de lumière brillantes situées à de grandes distances de la Terre. Le trajet de la lumière depuis le quasar jusqu'à nous étant si long, il traverse inévitablement les voisinages gazeux des jeunes galaxies. Le gaz absorbe la lumière du quasar à des fréquences spécifiques, imprimant un code-barres de lignes étroites sur son spectre (voir encadré ci-dessous).

À LA RECHERCHE DE CHANGEMENTS DANS LE RAYONNEMENT DES QUASAR

Lorsqu’un gaz absorbe de la lumière, les électrons contenus dans les atomes passent d’un niveau d’énergie faible à un niveau plus élevé. Les niveaux d’énergie sont déterminés par la façon dont le noyau atomique retient les électrons, ce qui dépend de la force de l’interaction électromagnétique entre eux et donc de la constante de structure fine. Si c'était différent au moment où la lumière a été absorbée, ou dans une région spécifique de l'Univers où cela s'est produit, alors l'énergie requise pour la transition de l'électron vers un nouveau niveau et les longueurs d'onde des transitions observées dans les spectres devraient différer de ceux observés aujourd’hui dans les expériences de laboratoire. La nature du changement de longueur d’onde dépend essentiellement de la répartition des électrons sur les orbites atomiques. Pour un changement donné de $\alpha$, certaines longueurs d'onde diminuent et d'autres augmentent. Le modèle complexe d’effets est difficile à confondre avec les erreurs d’étalonnage des données, ce qui rend une telle expérience extrêmement utile.

Lorsque nous avons commencé à travailler il y a sept ans, nous étions confrontés à deux problèmes. Premièrement, les longueurs d’onde de nombreuses raies spectrales n’ont pas été mesurées avec suffisamment de précision. Curieusement, les scientifiques en savaient beaucoup plus sur les spectres des quasars situés à des milliards d'années-lumière que sur les spectres des échantillons terrestres. Nous avions besoin de mesures de laboratoire de haute précision pour comparer les spectres des quasars, et nous avons convaincu les expérimentateurs d'effectuer les mesures appropriées. Ils ont été réalisés par Anne Thorne et Juliet Pickering de l'Imperial College de Londres, suivis par des équipes dirigées par Sveneric Johansson de l'Observatoire de Lund en Suède, et Ulf Griesmann et Rainer Rainer Kling de l'Institut national des normes et de la technologie du Maryland.

Le deuxième problème était que les observateurs précédents avaient utilisé ce qu'on appelle des doublets alcalins, des paires de raies d'absorption qui apparaissent dans les gaz atomiques de carbone ou de silicium. Ils ont comparé les intervalles entre ces raies dans les spectres des quasars avec des mesures en laboratoire. Cependant, cette méthode ne permettait pas d'utiliser un phénomène spécifique : les variations de $\alpha $ provoquent non seulement une modification de l'intervalle entre les niveaux d'énergie d'un atome par rapport au niveau d'énergie le plus faible (l'état fondamental), mais également un changement dans la position de l'état fondamental lui-même. En fait, le deuxième effet est encore plus puissant que le premier. En conséquence, la précision des observations n'était que de 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

En 1999, l'un des auteurs de l'article (Web) et Victor V. Flambaum de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie ont développé une technique permettant de prendre en compte ces deux effets. En conséquence, la sensibilité a été multipliée par 10. De plus, il est devenu possible de comparer différents types d'atomes (par exemple, le magnésium et le fer) et d'effectuer des recoupements supplémentaires. Des calculs complexes ont dû être effectués pour déterminer exactement comment les longueurs d’onde observées variaient selon les différents types d’atomes. Armés de télescopes et de capteurs modernes, nous avons décidé de tester la constance de $\alpha $ avec une précision sans précédent en utilisant une nouvelle méthode de nombreux multiplets.

Reconsidérer les points de vue

Au début des expériences, nous voulions simplement établir avec une plus grande précision que la valeur de la constante de structure fine dans l’Antiquité était la même qu’elle l’est aujourd’hui. À notre grande surprise, les résultats obtenus en 1999 ont montré des différences faibles mais statistiquement significatives, qui ont ensuite été confirmées. En utilisant les données de 128 raies d'absorption quasar, nous avons enregistré une augmentation de $\alpha$ de 6 $\cdot$ $10^(–6)$ au cours des 6 à 12 derniers milliards d'années.

Les résultats des mesures de la constante de structure fine ne permettent pas de tirer des conclusions définitives. Certains d’entre eux indiquent qu’il était autrefois plus petit qu’il ne l’est aujourd’hui, d’autres non. Peut-être que α a changé dans un passé lointain, mais il est maintenant devenu constant. (Les rectangles représentent la plage de modifications des données.)

Les affirmations audacieuses nécessitent des preuves substantielles, c’est pourquoi notre première étape a été de reconsidérer en profondeur nos méthodes de collecte et d’analyse de données. Les erreurs de mesure peuvent être divisées en deux types : systématiques et aléatoires. Avec des inexactitudes aléatoires, tout est simple. Dans chaque mesure individuelle, ils prennent des valeurs différentes qui, avec un grand nombre de mesures, sont moyennées et tendent vers zéro. Les erreurs systématiques qui ne sont pas moyennées sont plus difficiles à combattre. En astronomie, des incertitudes de ce type se rencontrent à chaque étape. Dans les expériences en laboratoire, les paramètres des instruments peuvent être ajustés pour minimiser les erreurs, mais les astronomes ne peuvent pas « affiner » l’univers et ils doivent accepter que toutes leurs méthodes de collecte de données contiennent des biais inévitables. Par exemple, la distribution spatiale observée des galaxies est sensiblement biaisée en faveur des galaxies brillantes, car elles sont plus faciles à observer. Identifier et neutraliser ces préjugés constitue un défi constant pour les observateurs.

Nous avons d'abord remarqué une possible distorsion dans l'échelle de longueur d'onde par rapport à laquelle les raies spectrales du quasar ont été mesurées. Cela pourrait survenir, par exemple, lors du traitement des résultats « bruts » de l’observation des quasars dans un spectre calibré. Bien qu'un simple étirement ou rétrécissement linéaire de l'échelle de longueur d'onde ne puisse pas simuler exactement le changement de $\alpha$, même une similarité approximative serait suffisante pour expliquer les résultats. Nous avons progressivement éliminé les erreurs simples associées aux distorsions en substituant les données d'étalonnage aux résultats d'observation des quasars.

Nous avons passé plus de deux ans à examiner diverses causes de biais pour nous assurer que leur impact était négligeable. Nous n'avons trouvé qu'une seule source potentielle d'erreurs graves. Nous parlons de lignes d’absorption du magnésium. Chacun de ses trois isotopes stables absorbe la lumière de différentes longueurs d'onde, très proches les unes des autres et visibles sous la forme d'une seule ligne dans le spectre des quasars. A partir de mesures en laboratoire de l’abondance relative des isotopes, les chercheurs jugent de la contribution de chacun d’eux. Leur répartition dans le jeune Univers pourrait être très différente de celle d'aujourd'hui si les étoiles émettant du magnésium étaient en moyenne plus lourdes que leurs homologues d'aujourd'hui. De telles différences pourraient imiter des changements de $\alpha$. Mais les résultats d'une étude publiée cette année indiquent que les faits observés ne sont pas si faciles à expliquer. Yeshe Fenner et Brad K. Gibson de l'Université de technologie de Swinburne en Australie et Michael T. Murphy de l'Université de Cambridge ont conclu que l'abondance d'isotopes requise pour simuler la variation $\alpha$ conduirait également à une synthèse excessive d'azote dans l'Univers primitif. ce qui est totalement incompatible avec les observations. Nous devons donc accepter la possibilité que $\alpha $ ait changé.

PARFOIS CELA CHANGE, PARFOIS CELA NE CHANGE PAS

Selon l'hypothèse avancée par les auteurs de l'article, dans certaines périodes de l'histoire cosmique, la constante de structure fine est restée inchangée et dans d'autres, elle a augmenté. Les données expérimentales (voir encadré précédent) sont cohérentes avec cette hypothèse.

La communauté scientifique a immédiatement apprécié l’importance de nos résultats. Les chercheurs du spectre des quasars du monde entier ont immédiatement commencé à prendre des mesures. En 2003, les groupes de recherche de Sergei Levshakov de l'Institut de physique et de technologie de Saint-Pétersbourg portent ce nom. Ioffe et Ralf Quast de l'Université de Hambourg ont étudié trois nouveaux systèmes de quasars. L'année dernière, Hum Chand et Raghunathan Srianand du Centre interuniversitaire d'astronomie et d'astrophysique en Inde, Patrick Petitjean de l'Institut d'astrophysique et Bastien Aracil du LERMA à Paris ont analysé 23 autres cas. Aucun des deux groupes n'a trouvé de changement dans $\alpha$. Chand soutient que tout changement entre 6 et 10 milliards d’années doit avoir été inférieur à une partie sur un million.

Pourquoi des techniques similaires utilisées pour analyser différentes sources de données ont-elles conduit à une divergence aussi radicale ? La réponse est encore inconnue. Les résultats obtenus par les chercheurs mentionnés sont d'excellente qualité, mais la taille de leurs échantillons et l'âge du rayonnement analysé sont nettement inférieurs aux nôtres. De plus, Chand a utilisé une version simplifiée de la méthode des multimultiples et n’a pas pleinement évalué toutes les erreurs expérimentales et systématiques.

Le célèbre astrophysicien John Bahcall de Princeton a critiqué la méthode multimultiple elle-même, mais les problèmes qu'il souligne entrent dans la catégorie des erreurs aléatoires, qui sont minimisées lorsque de grands échantillons sont utilisés. Bacall, ainsi que Jeffrey Newman du National Laboratory. Lawrence à Berkeley a étudié les raies d'émission plutôt que les raies d'absorption. Leur approche est beaucoup moins précise, même si elle pourrait s’avérer utile à l’avenir.

Réforme législative

Si nos résultats sont corrects, les implications seront énormes. Jusqu'à récemment, toutes les tentatives visant à estimer ce qui arriverait à l'Univers si la constante de structure fine était modifiée n'étaient pas satisfaisantes. Ils ne sont pas allés plus loin que considérer $\alpha$ comme une variable dans les mêmes formules qui ont été obtenues en supposant qu'elle était constante. D'accord, une approche très douteuse. Si $\alpha $ change, alors l'énergie et l'élan des effets qui y sont associés devraient être conservés, ce qui devrait affecter le champ gravitationnel dans l'Univers. En 1982, Jacob D. Bekenstein de l’Université hébraïque de Jérusalem fut le premier à généraliser les lois de l’électromagnétisme au cas de constantes non constantes. Dans sa théorie, $\alpha $ est considéré comme une composante dynamique de la nature, c'est-à-dire comme un champ scalaire. Il y a quatre ans, l'un d'entre nous (Barrow), avec Håvard Sandvik et João Magueijo de l'Imperial College de Londres, a étendu la théorie de Bekenstein pour inclure la gravité.

Les prédictions de la théorie généralisée sont d’une simplicité tentante. Étant donné que l'électromagnétisme à l'échelle cosmique est beaucoup plus faible que la gravité, des changements de $\alpha$ de quelques parties sur un million n'ont pas d'effet notable sur l'expansion de l'Univers. Mais l'expansion affecte considérablement $\alpha $ en raison de la différence entre les énergies des champs électriques et magnétiques. Au cours des premières dizaines de milliers d’années de l’histoire cosmique, les radiations dominaient les particules chargées et maintenaient l’équilibre entre les champs électriques et magnétiques. À mesure que l’Univers s’étendait, les radiations se raréfiaient et la matière devenait l’élément dominant de l’espace. Les énergies électriques et magnétiques se sont révélées inégales et $\alpha $ a commencé à augmenter proportionnellement au logarithme du temps. Il y a environ 6 milliards d’années, l’énergie noire a commencé à dominer, accélérant son expansion, ce qui rend difficile la propagation de toutes les interactions physiques dans l’espace libre. En conséquence, $\alpha$ est redevenu presque constant.

L'image décrite est cohérente avec nos observations. Les raies spectrales des quasar caractérisent cette période de l'histoire cosmique où la matière dominait et où $\alpha$ augmentait. Les résultats des mesures et études en laboratoire à Oklo correspondent à une période où l'énergie noire domine et où $\alpha$ est constant. Une étude plus approfondie de l'influence des changements de $\alpha$ sur les éléments radioactifs des météorites est particulièrement intéressante, car elle nous permet d'étudier la transition entre les deux périodes nommées.

Alpha n'est que le début

Si la constante de la structure fine change, alors les objets matériels devraient tomber différemment. À une certaine époque, Galilée avait formulé un principe d'équivalence faible, selon lequel les corps dans le vide tombent à la même vitesse, quelle que soit leur composition. Mais les changements de $\alpha$ doivent générer une force agissant sur toutes les particules chargées. Plus un atome contient de protons dans son noyau, plus il le ressentira fortement. Si les conclusions tirées de l'analyse des résultats de l'observation des quasars sont correctes, alors l'accélération de la chute libre des corps constitués de différents matériaux devrait différer d'environ 1 $\cdot$ $10^(–14)$. C'est 100 fois moins que ce qui peut être mesuré en laboratoire, mais suffisamment grand pour détecter des différences dans des expériences telles que STEP (Testing the Space Equivalence Principe).

Dans les études $\alpha $ précédentes, les scientifiques ont négligé l'hétérogénéité de l'Univers. Comme toutes les galaxies, notre Voie lactée est environ un million de fois plus dense que l’espace moyen, elle ne s’étend donc pas avec l’univers. En 2003, Barrow et David F. Mota de Cambridge ont calculé que $\alpha$ pouvait se comporter différemment au sein d'une galaxie et dans des régions plus vides de l'espace. Dès qu'une jeune galaxie devient plus dense et, en se relaxant, entre en équilibre gravitationnel, $\alpha$ devient constant à l'intérieur de la galaxie, mais continue de changer à l'extérieur. Ainsi, les expériences sur Terre qui testent la constance de $\alpha$ souffrent d'une sélection biaisée des conditions. Nous devons encore comprendre comment cela affecte la vérification du principe d’équivalence faible. Aucune variation spatiale de $\alpha$ n'a encore été observée. S'appuyant sur l'homogénéité du CMB, Barrow a récemment montré que $\alpha $ ne varie pas de plus de 1 $\cdot$ $10^(–8)$ entre des régions de la sphère céleste séparées de $10^o$.

Nous ne pouvons qu'attendre que de nouvelles données apparaissent et que de nouvelles études soient menées qui confirmeront ou infirmeront enfin l'hypothèse sur l'évolution de $\alpha $. Les chercheurs se sont concentrés sur cette constante simplement parce que les effets dus à ses variations sont plus faciles à voir. Mais si $\alpha $ est vraiment instable, alors d'autres constantes doivent également changer. Dans ce cas, il faudra admettre que les mécanismes internes de la nature sont bien plus complexes qu’on l’imaginait.

À PROPOS DES AUTEURS:
John D. Barrow et John K. Webb ont commencé leurs recherches sur les constantes physiques en 1996, lors d'un congé sabbatique commun à l'Université du Sussex en Angleterre. Ensuite, Barrow a exploré de nouvelles possibilités théoriques pour changer les constantes, et Web s'est engagé dans l'observation des quasars. Les deux auteurs écrivent des livres de non-fiction et apparaissent souvent dans des programmes télévisés.

« Résumons quelques résultats. L'ouvrage de référence « Tableaux des grandeurs physiques » (Moscou : Atomizdat, 1976) contient 1005 pages de texte et plusieurs millions de chiffres ; comment les comprendre ?

Ces quantités sont divisées en au moins quatre types.

a) Unités de mesure naturelles ou points de spectre physiquement marqués. Ce ne sont pas des nombres, mais des quantités telles que G, c, h, m e, e (charge électronique). Ce sont les caractéristiques dimensionnelles de certains phénomènes qui peuvent être reproduites plusieurs fois, avec un haut degré de précision. Cela reflète le fait que la nature reproduit des situations élémentaires en grandes séries. Les réflexions sur l'identité de ces éléments constitutifs de l'univers ont parfois conduit à des idées physiques aussi profondes que les statistiques de Bose-Einstein et de Fermi-Dirac. L'idée fantastique de Wheeler selon laquelle tous les électrons sont identiques parce qu'ils représentent des sections instantanées de la ligne d'univers enchevêtrée d'un électron a conduit à Feynmanà une simplification élégante de la technique de calcul schématique dans la théorie quantique des champs.

b) Constantes vraies ou sans dimension. Ce sont les rapports de plusieurs points marqués sur le spectre d'une grandeur d'une dimension, par exemple le rapport des masses de particules électriques : nous avons déjà évoqué m p / m e. L'identification de différentes dimensions tout en tenant compte de la nouvelle loi, c'est-à-dire la réduction du groupe de dimensions, conduit à l'unification de spectres auparavant différents et à la nécessité d'expliquer de nouveaux nombres.

Par exemple, les dimensions m e , c et h génèrent le groupe de Newton et conduisent donc aux mêmes unités atomiques naturelles de dimensions M, L, T que les unités de Planck. Par conséquent, leur relation avec les unités de Planck nécessite une explication théorique. Mais, comme nous l’avons dit, cela est impossible tant qu’il n’existe pas une théorie (G, c, h). Cependant, dans la théorie (m e, c, h) - l'électrodynamique quantique - il existe une quantité sans dimension, à la valeur de laquelle l'électrodynamique quantique moderne, dans un certain sens du terme, doit son existence. Plaçons deux électrons à une distance h/ m e c (la longueur d'onde dite Compton de l'électron) et mesurons le rapport de l'énergie de leur répulsion électrostatique à l'énergie m e c 2, équivalente à la masse au repos de l'électron. Le résultat est a = 7,2972 x 10 -3 ≈ 1/137. C’est la fameuse constante de structure fine.

L'électrodynamique quantique décrit notamment des processus dans lesquels le nombre de particules n'est pas conservé : le vide donne naissance à des paires électron-positon, et celles-ci s'annihilent. Du fait que l'énergie de production (au moins 2m e c 2) est des centaines de fois supérieure à l'énergie de l'interaction coulombienne caractéristique (en raison de la valeur de a), il est possible d'effectuer un schéma de calcul efficace dans lequel ces corrections radiatives ne sont pas complètement écartées, mais ne « gâchent pas non plus désespérément la vie » du théoricien.

Il n’y a pas d’explication théorique à la valeur de α. Les mathématiciens ont leurs propres spectres merveilleux : spectres d'opérateurs-générateurs linéaires distingués de groupes de Lie simples dans des représentations irréductibles, volumes de domaines fondamentaux, dimensions des espaces d'homologie et de cohomologie, etc. La marge d'imagination, identifiant les spectres des mathématiciens et les spectres de physiciens, est ouvert - il faut plutôt des principes, limitant le choix. Mais revenons aux constantes.

Le type suivant d'entre eux, qui prend beaucoup de place dans les tableaux, est :

c) Facteurs de conversion d'une échelle à une autre, par exemple de l'atomique à « humaine ». Il s'agit notamment : du numéro déjà mentionné Avogadro N0 = 6,02 x 1023 - essentiellement un gramme exprimé en unités de « masse du proton », bien que la définition traditionnelle soit légèrement différente, ainsi que des éléments comme l'année-lumière en kilomètres. Ce qui est le plus dégoûtant pour un mathématicien ici, bien sûr, ce sont les coefficients de transition d'une unité physiquement dénuée de sens à une autre, tout aussi dénuée de sens : des coudées aux pieds ou de Réaumur aux degrés Fahrenheit. Sur le plan humain, ce sont parfois les chiffres les plus importants ; comme l'a judicieusement noté Winnie l'ourson : « Je ne sais pas combien de litres, de mètres et de kilogrammes il contient, mais les tigres, lorsqu'ils sautent, nous semblent énormes. »

d) « Spectres diffus ». Il s'agit des caractéristiques des matériaux (non pas d'éléments ou de composés purs, mais de qualités technologiques ordinaires d'acier, d'aluminium, de cuivre), de données astronomiques (masse du Soleil, diamètre de la Galaxie...) et bien d'autres du même genre. La nature produit des pierres, des planètes, des étoiles et des galaxies, sans se soucier de leur similitude, contrairement aux électrons, mais leurs caractéristiques ne changent que dans des limites assez certaines. Les explications théoriques de ces « zones autorisées », une fois connues, peuvent être remarquablement intéressantes et instructives. »

Manin Yu.I., Les mathématiques comme métaphore, M., « Maison d'édition MCNMO », 2010, p. 177-179.

Considérons la nature de l'interaction des particules élémentaires. Les particules interagissent entre elles en échangeant des quanta de champs de force et, comme cela a été établi à ce jour, quatre types de forces, quatre interactions fondamentales, sont observées dans la nature :

fort (nucléaire, liant les protons et les neutrons dans les noyaux des éléments chimiques) ;

électromagnétique;

faible (responsable de désintégrations bêta relativement lentes)

gravitationnelle (conduisant à la loi de la gravitation universelle de Newton). Les interactions gravitationnelles et électromagnétiques font référence aux forces qui se produisent dans les champs gravitationnels et électromagnétiques. La nature de l'interaction gravitationnelle, établie quantitativement par Newton, n'est pas encore entièrement déterminée, et on ne sait pas clairement comment cette action se transmet dans l'espace.

Les forces nucléaires liées aux interactions fortes agissent à de courtes distances, environ 10-15 m, dans les noyaux et assurent leur stabilité, l'emportant sur l'effet répulsif des forces coulombiennes des champs électromagnétiques. Par conséquent, les forces nucléaires sont principalement des forces attractives et agissent entre les protons ( R.- R.) et les neutrons ( P.- P.). Il existe également une interaction proton-neutron ( p- P.). Puisque ces particules sont combinées en un seul groupe de nucléons, cette interaction est également appelée nucléon-nucléon.

Les interactions faibles se manifestent dans les processus de désintégration nucléaire ou, plus largement, dans les processus d'interaction entre un électron et un neutrino (elle peut également exister entre n'importe quelle paire de particules élémentaires).

Comme nous le savons déjà, les interactions gravitationnelles et électromagnétiques changent avec la distance comme 1/ r 2 et sont à longue portée. Les interactions nucléaires (fortes) et faibles sont à courte portée. En termes d'ampleur, les principales interactions sont classées dans l'ordre suivant : forte (nucléaire), électrique, faible, gravitationnelle.

On suppose que les quanta - porteurs de ces quatre champs de force sont respectivement : pour une interaction forte - des gluons sans masse (8) ; pour les photons électromagnétiques - sans masse (quanta de lumière avec spin 1) ; pour les bosons faibles (trois particules 90 fois plus lourdes qu'un proton) et pour les gravitons gravitationnels sans masse (avec spin 2).

Les gluons collent et retiennent les quarks à l'intérieur des protons et des noyaux. Les quanta de tous ces champs d'interaction ont des spins entiers et sont donc des bosons, contrairement aux particules - les fermions, qui ont un spin de 1/2. Les gluons et les quarks ont une sorte de « charge », généralement appelée « charge de couleur » ou simplement « couleur ». En chromodynamique quantique, seules trois couleurs sont considérées comme acceptables : le rouge, le bleu et le vert. Les gluons et les quarks n'ont pas encore été observés directement, et on pense que les quarks colorés « n'ont pas le droit » de s'envoler des noyaux, tout comme les phonons - quanta de vibrations thermiques du réseau cristallin des atomes - n'existent qu'à l'intérieur des corps solides. . Cette propriété de lier ou de confiner les quarks et les gluons dans les hadrons est appelée confinement. Seules les combinaisons blanches (« incolores ») de quarks sous forme de hadrons - baryons et mésons, qui apparaissent dans les réactions nucléaires lors de collisions de diverses particules, ont le droit de s'envoler des noyaux et d'être observées. Il est curieux qu'un seul quark, qui apparaît à la suite de certains processus, se «complète» presque instantanément (en 10 à 21 s) en un hadron et ne peut plus s'envoler du hadron.

Les quatre interactions fondamentales correspondent à quatre constantes mondiales. La très grande majorité des constantes physiques ont des dimensions qui dépendent du système d'unités de référence, par exemple dans la charge SI (International System of Units - International System). e=1,6 10 -19 C, sa masse t = 9,1 · 10 -31 kg. Dans différents systèmes de référence, les unités de base ont des valeurs numériques et des dimensions différentes. Cette situation ne convient pas à la science, car il est plus pratique d'avoir des constantes sans dimension qui ne sont pas associées au choix conditionnel des unités initiales et des systèmes de référence. De plus, les constantes fondamentales ne sont pas dérivées de théories physiques, mais sont déterminées expérimentalement. En ce sens, la physique théorique ne peut être considérée comme suffisante et complète pour expliquer les propriétés de la nature tant que le problème associé aux constantes mondiales n’est pas compris et expliqué.

L'analyse des dimensions des constantes physiques conduit à comprendre qu'elles jouent un rôle très important dans la construction de théories physiques individuelles. Cependant, si nous essayons de créer une description théorique unifiée de tous les processus physiques, c'est-à-dire, en d'autres termes, de formuler une image scientifique unifiée du monde du niveau micro au niveau macro, alors le rôle principal et déterminant devrait être joué par les éléments sans dimension. , c'est à dire. "vrai" monde, constantes. Ce sont les constantes des principales interactions.

Constante d’interaction gravitationnelle :

Constante d’interaction électromagnétique :

.

Forte constante d’interaction :

,

Où - charge de couleur (indice « s » du mot anglais « strong » - strong.)

Constante d’interaction faible :

,

Où merde ~ 1,4 10 -62 Jm3 - Constante de Fermi.(L'indice « w » du mot anglais « faible » est faible.) Notez que la constante dimensionnelle de l'interaction gravitationnelle a été obtenue par I. Newton lui-même : g~ 6,67·10 -11 m 3 ·s 2 ·kg -1.

On sait que cette loi de la gravitation universelle est indémontrable, puisqu’elle a été obtenue en généralisant des faits expérimentaux. De plus, sa justice absolue ne peut être garantie que lorsque le mécanisme de la gravité lui-même devient clair. La constante d'interaction électromagnétique est responsable de la transformation des particules chargées en les mêmes particules, mais avec une modification de la vitesse de leur mouvement et l'apparition d'une particule supplémentaire - un photon. Les interactions fortes et faibles se manifestent dans les processus du micromonde, où les interconversions de particules sont possibles. Par conséquent, la constante d’interaction forte quantifie les interactions baryoniques. Faible constante d’interaction est associée à l'intensité des transformations des particules élémentaires avec la participation des neutrinos et des antineutrinos.

On pense que les quatre types d’interaction et leurs constantes déterminent la structure et l’existence actuelles de l’Univers. Ainsi, la gravité maintient les planètes sur leurs orbites et leurs corps sur Terre. Électromagnétique - retient les électrons dans les atomes et les connecte en molécules dont nous sommes nous-mêmes constitués. Faible - assure la « combustion » à long terme des étoiles et du Soleil, qui fournit de l'énergie pour tous les processus vitaux sur Terre. Une forte interaction garantit l’existence stable de la plupart des noyaux atomiques. La physique théorique montre que la modification des valeurs numériques de certaines constantes entraîne la destruction de la stabilité d'un ou plusieurs éléments structurels de l'Univers. Par exemple, une augmentation de la masse des électrons m 0 de ~ 0,5 MeV à 0,9 MeV perturbera l'équilibre énergétique de la réaction de production de deutérium dans le cycle solaire et conduira à la déstabilisation des atomes et isotopes stables. Le deutérium est un atome d'hydrogène constitué d'un proton et d'un neutron. C'est de l'hydrogène "lourd" avec A = 2 (le tritium a A = 3.) Diminution seulement 40 % rendraient le deutérium instable. Cette augmentation rendra le biproton stable, ce qui entraînera la combustion de l'hydrogène dans les premiers stades de l'évolution de l'Univers. Constante varie dans 1/170< < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение entraînerait une diminution de la durée de vie des neutrons libres. Cela signifie qu'au début de l'Univers, l'hélium ne se serait pas formé et il n'y aurait pas eu de réaction de fusion des particules α lors de la synthèse du carbone 3α. -> 12C. Alors, à la place de notre Univers carboné, il y aurait un Univers hydrogène. Diminuer conduirait au fait que tous les protons seraient liés en particules α (Univers hélium).

Dans les sciences naturelles modernes, on suppose que les constantes du monde sont stables à partir de 10 à 35 s à partir du moment de la naissance de l'Univers et que, ainsi, dans notre Univers il y a pour ainsi dire un « ajustement » très précis. des valeurs numériques des constantes mondiales qui déterminent les valeurs nécessaires à l'existence des noyaux et des atomes, des étoiles et des galaxies. L’occurrence et l’existence d’une telle situation ne sont pas claires. Cet « ajustement » (les constantes sont exactement ce qu’elles sont !) crée les conditions nécessaires à l’existence non seulement d’organismes inorganiques et organiques complexes, mais aussi d’organismes vivants, y compris les humains. P. Dirac a exprimé l'idée d'un changement conjoint dans le temps des constantes fondamentales. En général, nous pouvons supposer que la diversité et l'unité du monde physique, son ordre et son harmonie, sa prévisibilité et sa répétabilité sont formés et contrôlés par un système d'un petit nombre de constantes fondamentales.