Konstanta interakcije

Gradivo iz brezplačne ruske enciklopedije "Tradicija"

Konstanta interakcije(včasih se uporablja izraz konstanta sklopitve) je parameter v teoriji polja, ki določa relativno moč katere koli interakcije delcev ali polj. V kvantni teoriji polja so interakcijske konstante povezane z vozlišči na ustreznih interakcijskih diagramih. Tako brezdimenzijski parametri kot povezane količine, ki označujejo interakcije in imajo dimenzijo, se uporabljajo kot interakcijske konstante. Primeri so brezdimenzijska elektromagnetna interakcija in električna interakcija, merjena v C.

Primerjava interakcij

Če izberete predmet, ki sodeluje v vseh štirih temeljnih interakcijah, bodo vrednosti brezdimenzionalnih interakcijskih konstant tega predmeta, ugotovljene v skladu s splošnim pravilom, pokazale relativno moč teh interakcij. Proton se kot tak objekt najpogosteje uporablja na ravni osnovnih delcev. Osnovna energija za primerjavo interakcij je elektromagnetna energija fotona, ki je po definiciji enaka:

kjer je - , hitrost svetlobe, valovna dolžina fotona. Izbira fotonske energije ni naključna, saj sodobna znanost temelji na konceptu valovanja, ki temelji na elektromagnetnem valovanju. Z njihovo pomočjo se opravijo vse osnovne meritve - dolžine, časa in vključno z energijo.

Gravitacijska interakcija

Šibka interakcija

Energijo, povezano s šibko interakcijo, lahko predstavimo na naslednji način:

kjer je efektivni naboj šibke interakcije, je masa virtualnih delcev, za katere velja, da so nosilci šibke interakcije (W- in Z-bozoni).

Kvadrat efektivnega naboja šibke interakcije za proton je izražen s Fermijevo konstanto J m 3 in maso protona:

Na dovolj majhnih razdaljah lahko zanemarimo eksponentno energijo šibke interakcije. V tem primeru je brezdimenzijska konstanta šibke interakcije definirana na naslednji način:

Elektromagnetna interakcija

Elektromagnetno interakcijo dveh stacionarnih protonov opisuje elektrostatična energija:

Kje - , - .

Razmerje med to energijo in energijo fotona določa konstanto elektromagnetne interakcije, znano kot:

Močna interakcija

Na ravni hadronov velja, da je standardni model fizike delcev "preostala" interakcija, vključena v hadrone. Predpostavlja se, da gluoni kot nosilci močne interakcije ustvarjajo virtualne mezone v prostoru med hadroni. V pionsko-nukleonskem modelu Yukawa so jedrske sile med nukleoni razložene kot posledica izmenjave virtualnih pionov, interakcijska energija pa ima naslednjo obliko:

kjer je efektivni naboj psevdoskalarne interakcije pion-nukleon in je masa piona.

Brezdimenzijska konstanta močne interakcije je:

Konstante v kvantni teoriji polja

Učinke interakcij v teoriji polja pogosto določamo s teorijo motenj, v kateri so funkcije v enačbah razširjene po potencah interakcijske konstante. Običajno je za vse interakcije, razen za močne, interakcijska konstanta znatno manjša od enote. Zaradi tega je uporaba teorije motenj učinkovita, saj se prispevek vodilnih členov razširitev hitro zmanjša in njihov izračun postane nepotreben. V primeru močne interakcije postane teorija motenj neprimerna in potrebne so druge računske metode.

Ena od napovedi kvantne teorije polja je tako imenovani učinek "lebdečih konstant", po katerem se interakcijske konstante počasi spreminjajo z večanjem energije, ki se prenaša med interakcijo delcev. Tako konstanta elektromagnetne interakcije narašča, konstanta močne interakcije pa pada z naraščajočo energijo. Za kvarke v kvantni kromodinamiki je uvedena lastna konstanta močne interakcije:

kjer je efektivni barvni naboj kvarka, ki oddaja virtualne gluone za interakcijo z drugim kvarkom. Z zmanjševanjem razdalje med kvarki, ki ga dosežemo pri trkih visokoenergijskih delcev, pričakujemo logaritemsko zmanjševanje in oslabitev močne interakcije (učinek asimptotične svobode kvarkov). Na lestvici prenesene energije reda mase-energije Z-bozona (91,19 GeV) ugotovimo, da Na enaki energijski lestvici se konstanta elektromagnetne interakcije pri nizkih energijah poveča na vrednost reda 1/127 namesto ≈1/137. Predpostavlja se, da se bodo pri še višjih energijah, reda 10 18 GeV, vrednosti konstant gravitacijskih, šibkih, elektromagnetnih in močnih interakcij delcev zbližale in lahko celo postale približno enake druga drugi.

Konstante v drugih teorijah

Teorija strun

V teoriji strun se interakcijske konstante ne štejejo za konstantne količine, ampak so po naravi dinamične. Zlasti ista teorija pri nizkih energijah izgleda, kot da se strune gibljejo v desetih dimenzijah, pri visokih energijah pa v enajstih. Spremembo števila dimenzij spremlja sprememba interakcijskih konstant.

Močna gravitacija

Skupaj z in elektromagnetne sile veljajo za glavne komponente močne interakcije v. V tem modelu sta namesto upoštevanja interakcije kvarkov in gluonov upoštevani le dve temeljni polji – gravitacijsko in elektromagnetno, ki delujeta v nabiti in masni snovi osnovnih delcev ter v prostoru med njimi. V tem primeru se domneva, da kvarki in gluoni niso pravi delci, ampak kvazidelci, ki odražajo kvantne lastnosti in simetrije, ki so lastne hadronski snovi. Ta pristop močno zmanjša rekordno število za fizikalne teorije skoraj neutemeljenih, a postuliranih prostih parametrov v standardnem modelu fizike delcev, ki ima vsaj 19 takih parametrov.

Druga posledica je, da se šibke in močne interakcije ne štejejo za neodvisne interakcije polja. Močna interakcija se spušča v kombinacije gravitacijskih in elektromagnetnih sil, pri katerih igrajo veliko vlogo učinki zakasnitve interakcij (dipolna in orbitalna torzijska polja ter magnetne sile). V skladu s tem je konstanta močne interakcije določena po analogiji s konstanto gravitacijske interakcije:

Kako nepredstavljivo čuden svet bi bil, če bi se fizične konstante lahko spreminjale! Na primer, tako imenovana konstanta fine strukture je približno 1/137. Če bi imela drugačno velikost, potem morda ne bi bilo razlike med snovjo in energijo.

So stvari, ki se nikoli ne spremenijo. Znanstveniki jih imenujejo fizikalne konstante ali svetovne konstante. Velja, da svetlobna hitrost $c$, gravitacijska konstanta $G$, masa elektrona $m_e$ in nekatere druge količine vedno in povsod ostajajo nespremenjene. Tvorijo osnovo, na kateri temeljijo fizikalne teorije in določajo strukturo vesolja.

Fiziki se trudijo meriti svetovne konstante z vedno večjo natančnostjo, a še nikomur ni uspelo na noben način razložiti, zakaj so njihove vrednosti takšne, kot so. V sistemu SI $c = 299792458$ m/s, $G = 6,673\cdot 10^(–11)Н\cdot$m$^2$/kg$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( – 31)$ kg so popolnoma nepovezane količine, ki imajo samo eno skupno lastnost: če se le malo spremenijo, bo obstoj kompleksnih atomskih struktur, vključno z živimi organizmi, pod velikim vprašajem. Želja po utemeljitvi vrednosti konstant je postala ena od spodbud za razvoj enotne teorije, ki v celoti opisuje vse obstoječe pojave. Z njegovo pomočjo so znanstveniki upali dokazati, da ima lahko vsaka svetovna konstanta le eno možno vrednost, ki jo določajo notranji mehanizmi, ki določajo varljivo samovoljo narave.

Za najboljšega kandidata za naziv enotne teorije velja M-teorija (različica teorije strun), ki se lahko šteje za veljavno, če vesolje nima štirih prostorsko-časovnih dimenzij, ampak enajst. Posledično konstante, ki jih opazujemo, dejansko morda niso resnično temeljne. Prave konstante obstajajo v polnem večdimenzionalnem prostoru in vidimo samo njihove tridimenzionalne "silhuete".

RECENZIJA: SVETOVNE KONSTANTE

1. V številnih fizikalnih enačbah so količine, ki veljajo za konstantne povsod – v prostoru in času.

2. Pred kratkim so znanstveniki podvomili o nespremenljivosti svetovnih konstant. S primerjavo rezultatov opazovanj kvazarjev in laboratorijskih meritev ugotavljajo, da so kemični elementi v daljni preteklosti svetlobo absorbirali drugače kot danes. Razliko je mogoče pojasniti s spremembo konstante fine strukture za nekaj ppm.

3. Potrditev še tako majhne spremembe bi bila prava revolucija v znanosti. Opazovane konstante se lahko izkažejo le za "silhuete" pravih konstant, ki obstajajo v večdimenzionalnem prostoru-času.

Medtem so fiziki prišli do zaključka, da so lahko vrednosti številnih konstant posledica naključnih dogodkov in interakcij med osnovnimi delci v zgodnjih fazah zgodovine vesolja. Teorija strun dopušča obstoj ogromnega števila ($10^(500)$) svetov z različnimi samokonsistentnimi nizi zakonov in konstant ( glej »Pokrajina teorije strun«, »V svetu znanosti«, št. 12, 2004.). Znanstveniki za zdaj nimajo pojma, zakaj je bila izbrana naša kombinacija. Morda se bo zaradi nadaljnjih raziskav število logično možnih svetov zmanjšalo na enega, možno pa je, da je naše vesolje le majhen odsek multiverzuma, v katerem se realizirajo različne rešitve enačb enotne teorije, in preprosto opazujemo eno od variant naravnih zakonov ( glej “Paralle Universes”, “In the World of Science”, št. 8, 2003. V tem primeru za številne svetovne konstante ni razlage, razen da sestavljajo redko kombinacijo, ki omogoča razvoj zavesti. Morda je vesolje, ki ga opazujemo, postalo ena od mnogih izoliranih oaz, obdanih z neskončnostjo brezživljenjskega prostora – nadrealistični kraj, kjer prevladujejo popolnoma tuje sile narave, delci, kot so elektroni, in strukture, kot so ogljikovi atomi in molekule DNK, pa so preprosto nemogoči. Poskus priti tja bi povzročil neizogibno smrt.

Teorija strun je bila delno razvita za razlago navidezne poljubnosti fizikalnih konstant, zato njene osnovne enačbe vsebujejo le nekaj poljubnih parametrov. Vendar zaenkrat ne pojasnjuje opazovanih vrednosti konstant.

Zanesljiv vladar

Pravzaprav uporaba besede "konstanta" ni povsem zakonita. Naše konstante se lahko spreminjajo v času in prostoru. Če bi se dodatne prostorske dimenzije spremenile v velikosti, bi se skupaj z njimi spremenile tudi konstante v našem tridimenzionalnem svetu. In če bi pogledali dovolj daleč v vesolje, bi lahko videli področja, kjer so konstante prevzele različne vrednosti. Od leta 1930. Znanstveniki domnevajo, da konstante morda niso konstantne. Teorija strun daje tej ideji teoretično verodostojnost in naredi iskanje nestalnosti še toliko bolj pomembno.

Prva težava je, da je laboratorijska postavitev lahko občutljiva na spremembe konstant. Velikosti vseh atomov bi se lahko povečale, a če bi se podaljšalo tudi ravnilo, ki se uporablja za meritve, o spremembi velikosti atomov ne bi mogli reči ničesar. Eksperimentatorji običajno predpostavljajo, da so standardi količin (ravnila, uteži, ure) konstantni, vendar tega pri testiranju konstant ni mogoče doseči. Raziskovalci bi morali biti pozorni na brezdimenzijske konstante - preprosto številke, ki niso odvisne od sistema merskih enot, na primer razmerje med maso protona in maso elektrona.

Ali se notranja zgradba vesolja spreminja?

Posebej zanimiva je količina $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, ki združuje svetlobno hitrost $c$, električni naboj elektrona $e$, Planckovo konstanto $h$ in t.i. dielektrična konstanta vakuuma $\epsilon_0$. Imenuje se konstanta fine strukture. Prvič ga je leta 1916 predstavil Arnold Sommerfeld, ki je bil eden prvih, ki je poskušal kvantno mehaniko uporabiti za elektromagnetizem: $\alpha$ povezuje relativistične (c) in kvantne (h) značilnosti elektromagnetnih (e) interakcij, ki vključujejo nabite delce. v prazen prostor ($\epsilon_0$). Meritve so pokazale, da je ta vrednost enaka 1/137,03599976 (približno 1/137).

Če bi $\alpha $ imel drugačen pomen, bi se ves svet okoli nas spremenil. Če bi bila manjša, bi se gostota trdne snovi, sestavljene iz atomov, zmanjšala (sorazmerno z $\alpha^3 $), molekularne vezi bi se pretrgale pri nižjih temperaturah ($\alpha^2 $) in število stabilnih elementov v periodnem sistemu bi se lahko povečalo ($1/\alpha $). Če bi bil $\alpha $ prevelik, majhna atomska jedra ne bi mogla obstajati, ker jedrske sile, ki jih vežejo, ne bi mogle preprečiti medsebojnega odbijanja protonov. Pri $\alpha >0,1 $ ogljik ne more obstajati.

Jedrske reakcije v zvezdah so še posebej občutljive na vrednost $\alpha $. Da pride do jedrske fuzije, mora gravitacija zvezde ustvariti dovolj visoko temperaturo, da povzroči, da se jedra približajo drug drugemu, kljub težnji, da se odbijajo. Če bi $\alpha $ presegel 0,1, bi bila sinteza nemogoča (če bi seveda ostali parametri, na primer razmerje med maso elektronov in protonov, ostali enaki). Sprememba v $\alpha$ za samo 4 % bi vplivala na nivoje energije v ogljikovem jedru do te mere, da bi njegovo ustvarjanje v zvezdah preprosto prenehalo.

Uvedba jedrskih tehnik

Drugi, resnejši eksperimentalni problem je, da merjenje sprememb konstant zahteva zelo natančno opremo, ki mora biti izjemno stabilna. Tudi s pomočjo atomskih ur lahko spremljamo premik konstante fine strukture le nekaj let. Če bi se $\alpha $ v treh letih spremenilo za več kot 4 $\cdot$ $10^(–15)$, bi to zaznale najbolj natančne ure. Vendar nič takega še ni bilo registrirano. Zdi se, zakaj ne bi potrdili konstantnosti? Toda tri leta so trenutek v vesolju. Počasne, a pomembne spremembe v zgodovini vesolja lahko ostanejo neopažene.

SVETLOBA IN FINA STRUKTURA KONSTANTNA

Na srečo so fiziki našli druge načine testiranja. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja Znanstveniki francoske komisije za jedrsko energijo so opazili nekaj posebnosti v izotopski sestavi rude iz rudnika urana Oklo v Gabonu (Zahodna Afrika): spominjala je na odpadke iz jedrskih reaktorjev. Očitno je pred približno 2 milijardama let v Oklu nastal naravni jedrski reaktor ( glej »Božanski reaktor«, »V svetu znanosti«, št. 1, 2004).

Leta 1976 je Alexander Shlyakhter z Leningradskega inštituta za jedrsko fiziko ugotovil, da je delovanje naravnih reaktorjev kritično odvisno od natančne energije specifičnega stanja samarijevega jedra, ki zagotavlja zajem nevtronov. In sama energija je močno povezana z vrednostjo $\alpha $. Torej, če bi bila konstanta fine strukture nekoliko drugačna, morda ne bi prišlo do verižne reakcije. Toda res se je zgodilo, kar pomeni, da se v zadnjih 2 milijardah let konstanta ni spremenila za več kot 1 $\cdot$ $10^(–8)$. (Fiziki še naprej razpravljajo o natančnih kvantitativnih rezultatih zaradi neizogibne negotovosti glede pogojev v naravnem reaktorju.)

Leta 1962 sta P. James E. Peebles in Robert Dicke z univerze Princeton prva uporabila takšno analizo za starodavne meteorite: relativna številčnost izotopov, ki izhajajo iz njihovega radioaktivnega razpada, je odvisna od $\alpha$. Najbolj občutljiva omejitev je povezana z beta razpadom med pretvorbo renija v osmij. Glede na nedavno delo Keitha Olivea z Univerze v Minnesoti in Maxima Pospelova z Univerze Victoria v Britanski Kolumbiji se je v času nastanka meteoritov $\alpha$ razlikoval od svoje trenutne vrednosti za 2 $\cdot$ $10^ (– 6)$. Ta rezultat je manj natančen od podatkov Okla, a sega dlje v preteklost, do nastanka Osončja pred 4,6 milijarde let.

Da bi raziskali možne spremembe v še daljših časovnih obdobjih, morajo raziskovalci pogledati v nebesa. Svetloba oddaljenih astronomskih objektov potrebuje milijarde let, da doseže naše teleskope in nosi pečat zakonitosti in svetovnih konstant tistih časov, ko je šele začela svojo pot in interakcijo s snovjo.

Spektralne črte

Astronomi so se vključili v zgodbo o konstantah kmalu po odkritju kvazarjev leta 1965, ki so bili pravkar odkriti in identificirani kot svetli viri svetlobe, ki se nahajajo na velikih razdaljah od Zemlje. Ker je pot svetlobe od kvazarja do nas tako dolga, neizogibno prečka plinasto soseščino mladih galaksij. Plin absorbira svetlobo kvazarja pri določenih frekvencah in v njegov spekter vtisne črtno kodo ozkih črt (glej okvir spodaj).

ISKANJE SPREMEMB V SEVANJU KVAZARJA

Ko plin absorbira svetlobo, elektroni v atomih preskočijo z nizkih energijskih ravni na višje. Energijske ravni so določene s tem, kako tesno atomsko jedro drži elektrone, kar je odvisno od moči elektromagnetne interakcije med njimi in s tem konstante fine strukture. Če je bilo drugače v trenutku, ko je bila svetloba absorbirana, ali v določenem območju vesolja, kjer se je to zgodilo, potem energija, potrebna za prehod elektrona na novo raven, in valovne dolžine prehodov, opaženih v spektri, bi se morali razlikovati od danes opaženih v laboratorijskih poskusih. Narava spremembe valovnih dolžin je kritično odvisna od porazdelitve elektronov v atomskih orbitah. Za določeno spremembo $\alpha$ se nekatere valovne dolžine zmanjšajo, druge pa povečajo. Kompleksen vzorec učinkov je težko zamenjati z napakami pri umerjanju podatkov, zaradi česar je tak eksperiment izjemno uporaben.

Ko smo pred sedmimi leti začeli z delom, smo se soočili z dvema težavama. Prvič, valovne dolžine številnih spektralnih linij niso bile izmerjene dovolj natančno. Nenavadno je, da so znanstveniki vedeli veliko več o spektrih milijard svetlobnih let oddaljenih kvazarjev kot o spektrih zemeljskih vzorcev. Potrebovali smo visoko natančne laboratorijske meritve, s katerimi smo primerjali spektre kvazarjev, in prepričali smo eksperimentatorje, da so opravili ustrezne meritve. Izvedli sta jih Anne Thorne in Juliet Pickering z Imperial College London, sledile pa so jim ekipe, ki so jih vodili Sveneric Johansson z observatorija Lund na Švedskem ter Ulf Griesmann in Rainer Rainer Kling z Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo v Marylandu.

Druga težava je bila, da so prejšnji opazovalci uporabljali tako imenovane alkalijske dublete - pare absorpcijskih linij, ki nastanejo v atomskih plinih ogljika ali silicija. Primerjali so intervale med temi črtami v spektrih kvazarja z laboratorijskimi meritvami. Vendar ta metoda ni dovolila uporabe enega posebnega pojava: variacije v $\alpha $ ne povzročijo le spremembe v intervalu med energijskimi nivoji atoma glede na nivo z najnižjo energijo (osnovno stanje), ampak tudi sprememba položaja samega osnovnega stanja. Pravzaprav je drugi učinek še močnejši od prvega. Posledično je bila natančnost opazovanj le 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

Leta 1999 sta eden od avtorjev prispevka (Web) in Victor V. Flambaum z Univerze v Novem Južnem Walesu v Avstraliji razvila tehniko za upoštevanje obeh učinkov. Posledično se je občutljivost povečala za 10-krat. Poleg tega je postalo mogoče primerjati različne vrste atomov (na primer magnezij in železo) in izvajati dodatna navzkrižna preverjanja. Izvesti je bilo treba zapletene izračune, da bi natančno ugotovili, kako so se opazovane valovne dolžine spreminjale v različnih vrstah atomov. Oboroženi s sodobnimi teleskopi in senzorji smo se odločili preizkusiti konstantnost $\alpha $ z natančnostjo brez primere z uporabo nove metode številnih multipletov.

Ponovno razmišljanje o pogledih

Ob začetku poskusov smo preprosto želeli z večjo natančnostjo ugotoviti, da je bila vrednost konstante fine strukture v starih časih enaka današnji. Na naše presenečenje so rezultati leta 1999 pokazali majhne, ​​a statistično značilne razlike, ki so se pozneje potrdile. Z uporabo podatkov iz 128 kvazarskih absorpcijskih linij smo zabeležili povečanje $\alpha$ za 6 $\cdot$ $10^(–6)$ v zadnjih 6–12 milijardah let.

Rezultati meritev konstante fine strukture nam ne omogočajo dokončnih zaključkov. Nekatere med njimi kažejo, da je bila nekoč manjša, kot je zdaj, nekatere pa ne. Morda se je α spremenil v daljni preteklosti, zdaj pa je postal konstanten. (Pravokotniki predstavljajo obseg sprememb podatkov.)

Drzne trditve zahtevajo precejšnje dokaze, zato je bil naš prvi korak temeljito preučiti naše metode zbiranja in analize podatkov. Merske napake lahko razdelimo na dve vrsti: sistematične in naključne. Z naključnimi netočnostmi je vse preprosto. Pri vsaki posamezni meritvi zavzamejo različne vrednosti, ki se pri velikem številu meritev povprečijo in težijo k ničli. Težje se je boriti proti sistematičnim napakam, ki niso povprečne. V astronomiji se s tovrstnimi negotovostmi srečujemo na vsakem koraku. V laboratorijskih poskusih je mogoče prilagoditi nastavitve instrumentov, da zmanjšajo napake, vendar astronomi ne morejo "natančno nastaviti" vesolja in morajo sprejeti, da vse njihove metode zbiranja podatkov vsebujejo neizogibne pristranskosti. Na primer, opazovana prostorska porazdelitev galaksij je opazno pristranska proti svetlim galaksijam, ker jih je lažje opazovati. Prepoznavanje in nevtralizacija takšnih pristranskosti je stalni izziv za opazovalce.

Najprej smo opazili možno popačenje v lestvici valovnih dolžin glede na katero so bile izmerjene spektralne črte kvazarja. Nastane lahko na primer pri obdelavi »surovih« rezultatov opazovanja kvazarjev v umerjen spekter. Čeprav preprosto linearno raztezanje ali krčenje lestvice valovnih dolžin ne bi moglo natančno simulirati spremembe v $\alpha$, bi celo približna podobnost zadostovala za razlago rezultatov. Enostavne napake, povezane z izkrivljanji, smo postopoma odpravili tako, da smo namesto rezultatov opazovanja kvazarja nadomestili podatke o umerjanju.

Več kot dve leti smo preučevali različne vzroke pristranskosti, da bi zagotovili, da je njihov vpliv zanemarljiv. Našli smo samo en potencialni vir resnih napak. Govorimo o črtah za absorpcijo magnezija. Vsak od njegovih treh stabilnih izotopov absorbira svetlobo različnih valovnih dolžin, ki so si zelo blizu in so vidne kot ena črta v spektrih kvazarjev. Na podlagi laboratorijskih meritev relativne abundance izotopov raziskovalci presojajo prispevek vsakega od njih. Njihova porazdelitev v mladem vesolju bi lahko bila bistveno drugačna od današnje, če bi bile zvezde, ki so oddajale magnezij, v povprečju težje od svojih današnjih dvojnikov. Takšne razlike bi lahko posnemale spremembe v $\alpha$, vendar rezultati študije, objavljene letos, kažejo, da opaženih dejstev ni tako enostavno razložiti. Yeshe Fenner in Brad K. Gibson s Tehnološke univerze Swinburne v Avstraliji ter Michael T. Murphy z Univerze v Cambridgeu so zaključili, da bi številčnost izotopov, potrebna za simulacijo variacije $\alpha$, povzročila tudi prekomerno sintezo dušika v zgodnjem vesolju, kar je v popolnem neskladju z opažanji. Torej moramo sprejeti možnost, da se je $\alpha $ res spremenil.

VČASIH SE SPREMENI, VČASIH SE NE

Po hipotezi, ki so jo postavili avtorji članka, je v nekaterih obdobjih vesoljske zgodovine konstanta fine strukture ostala nespremenjena, v drugih pa se je povečala. Eksperimentalni podatki (glej prejšnji okvir) so skladni s to predpostavko.

Znanstvena skupnost je takoj ocenila pomen naših rezultatov. Raziskovalci spektrov kvazarjev po vsem svetu so takoj začeli z meritvami. Leta 2003 so raziskovalne skupine Sergeja Levšakova s ​​Sanktpeterburškega inštituta za fiziko in tehnologijo poim. Ioffe in Ralf Quast z univerze v Hamburgu sta preučevala tri nove sisteme kvazarjev. Lani so Hum Chand in Raghunathan Srianand iz Meduniverzitetnega centra za astronomijo in astrofiziko v Indiji, Patrick Petitjean z Inštituta za astrofiziko in Bastien Aracil iz LERMA v Parizu analizirali nadaljnjih 23 primerov. Nobena skupina ni našla spremembe v $\alpha$. Chand trdi, da je morala biti vsaka sprememba med 6 in 10 milijardami let manj kot en del na milijon.

Zakaj so podobne tehnike, uporabljene za analizo različnih izvornih podatkov, povzročile tako radikalno neskladje? Odgovor še vedno ni znan. Rezultati, ki so jih dobili omenjeni raziskovalci, so odlične kakovosti, vendar sta velikost njihovih vzorcev in starost analiziranega sevanja bistveno manjši od naših. Poleg tega je Chand uporabil poenostavljeno različico multimultipletne metode in ni v celoti ovrednotil vseh eksperimentalnih in sistematičnih napak.

Priznani astrofizik John Bahcall iz Princetona je kritiziral samo multimultipletno metodo, vendar težave, ki jih izpostavlja, spadajo v kategorijo naključnih napak, ki so minimizirane, ko se uporabljajo veliki vzorci. Bacall, pa tudi Jeffrey Newman iz Nacionalnega laboratorija. Lawrence na Berkeleyju je opazoval emisijske črte in ne absorpcijske črte. Njihov pristop je veliko manj natančen, čeprav se lahko v prihodnosti izkaže za uporabnega.

Zakonodajna reforma

Če so naši rezultati pravilni, bodo posledice ogromne. Do nedavnega so bili vsi poskusi ocene, kaj bi se zgodilo z vesoljem, če bi spremenili konstanto fine strukture, nezadovoljivi. Niso šli dlje od obravnavanja $\alpha$ kot spremenljivke v istih formulah, ki so bile pridobljene ob predpostavki, da je konstantna. Strinjam se, zelo dvomljiv pristop. Če se $\alpha $ spremeni, bi se morala energija in zagon v učinkih, povezanih s tem, ohraniti, kar bi moralo vplivati ​​na gravitacijsko polje v vesolju. Leta 1982 je Jacob D. Bekenstein s Hebrejske univerze v Jeruzalemu prvi posplošil zakone elektromagnetizma na primer nekonstantnih konstant. V njegovi teoriji se $\alpha $ obravnava kot dinamična komponenta narave, tj. kot skalarno polje. Pred štirimi leti je eden izmed nas (Barrow) skupaj s Håvardom Sandvikom in Joãom Magueijem z Imperial Collegea v Londonu razširil Bekensteinovo teorijo na gravitacijo.

Napovedi posplošene teorije so vabljivo preproste. Ker je elektromagnetizem v vesoljskem merilu veliko šibkejši od gravitacije, spremembe v $\alpha$ za nekaj delov na milijon nimajo opaznega vpliva na širjenje vesolja. Toda širitev bistveno vpliva na $\alpha $ zaradi neskladja med energijami električnega in magnetnega polja. V prvih deset tisočih letih kozmične zgodovine je sevanje prevladovalo nad nabitimi delci in vzdrževalo ravnovesje med električnim in magnetnim poljem. Ko se je vesolje širilo, se je sevanje redčilo in snov je postala prevladujoči element vesolja. Izkazalo se je, da električna in magnetna energija nista enaki in $\alpha $ je začela naraščati sorazmerno z logaritmom časa. Pred približno 6 milijardami let je začela prevladovati temna energija, ki pospešuje širjenje, kar otežuje širjenje vseh fizičnih interakcij v prostem prostoru. Posledično je $\alpha$ spet postal skoraj konstanten.

Opisana slika je skladna z našimi opažanji. Spektralne črte kvazarja označujejo tisto obdobje kozmične zgodovine, ko je prevladovala materija in se je $\alpha$ povečalo. Rezultati laboratorijskih meritev in študij na Oklu ustrezajo obdobju, ko prevladuje temna energija in je $\alpha$ konstanten. Nadaljnje preučevanje vpliva sprememb $\alpha$ na radioaktivne elemente v meteoritih je še posebej zanimivo, saj omogoča preučevanje prehoda med obema imenovanima obdobjema.

Alfa je šele začetek

Če se konstanta fine strukture spreminja, bi morali materialni predmeti padati drugače. Nekoč je Galilei oblikoval šibko načelo enakovrednosti, po katerem telesa v vakuumu padajo z enako hitrostjo ne glede na to, iz česa so sestavljena. Toda spremembe v $\alpha$ morajo ustvariti silo, ki deluje na vse nabite delce. Več protonov kot vsebuje atom v svojem jedru, močneje ga bo občutil. Če so sklepi iz analize rezultatov opazovanja kvazarjev pravilni, potem bi se moral pospešek prostega padanja teles iz različnih materialov razlikovati za približno 1 $\cdot$ $10^(–14)$. To je 100-krat manj, kot je mogoče izmeriti v laboratoriju, a dovolj veliko za odkrivanje razlik v poskusih, kot je STEP (Testing the Space Equivalence Principle).

V prejšnjih študijah $\alpha $ so znanstveniki zanemarili heterogenost vesolja. Tako kot vse galaksije je tudi naša Rimska cesta približno milijonkrat gostejša od povprečnega prostora, zato se ne širi skupaj z vesoljem. Leta 2003 sta Barrow in David F. Mota iz Cambridgea izračunala, da bi se lahko $\alpha$ znotraj galaksije obnašal drugače kot v bolj praznih območjih vesolja. Takoj, ko se mlada galaksija zgosti in ko se sprosti, pride v gravitacijsko ravnovesje, $\alpha$ postane konstanten znotraj galaksije, vendar se še naprej spreminja zunaj. Tako poskusi na Zemlji, ki testirajo konstantnost $\alpha$, trpijo zaradi pristranske izbire pogojev. Ugotoviti moramo še, kako to vpliva na preverjanje načela šibke enakovrednosti. Prostorskih variacij $\alpha$ še niso opazili. Sklicujoč se na homogenost CMB je Barrow nedavno pokazal, da se $\alpha $ ne razlikuje za več kot 1 $\cdot$ $10^(–8)$ med regijami nebesne sfere, ločenimi z $10^o$.

Samo čakamo lahko, da se pojavijo novi podatki in izvedejo nove študije, ki bodo dokončno potrdile ali ovrgle hipotezo o spremembi $\alpha $. Raziskovalci so se osredotočili na to konstanto preprosto zato, ker so učinki zaradi njenih variacij lažje vidni. Če pa je $\alpha $ resnično nestabilen, se morajo spremeniti tudi druge konstante. V tem primeru bomo morali priznati, da so notranji mehanizmi narave veliko bolj zapleteni, kot smo si predstavljali.

O AVTORJIH:
John D. Barrow in John K. Webb sta začela raziskovati fizikalne konstante leta 1996 med skupnim dopustom na Univerzi v Sussexu v Angliji. Nato je Barrow raziskoval nove teoretične možnosti za spreminjanje konstant, Web pa se je ukvarjal z opazovanjem kvazarjev. Oba avtorja pišeta neleposlovne knjige in pogosto nastopata na televizijskih oddajah.

»Povzemimo nekaj rezultatov. Referenčna knjiga "Tabele fizikalnih količin" (Moskva: Atomizdat, 1976) vsebuje 1005 strani besedila in več milijonov številk; kako jih razumeti?

Te količine so razdeljene na vsaj štiri vrste.

a) Naravne merske enote ali fizično označene točke spektra. To niso številke, ampak količine, kot so G, c, h, m e, e (naboj elektrona). To so dimenzijske značilnosti določenih pojavov, ki jih je mogoče večkrat reproducirati z visoko stopnjo natančnosti. To je odraz dejstva, da narava replicira elementarne situacije v ogromnih serijah. Razmišljanja o identiteti takšnih gradnikov vesolja so včasih vodila do tako globokih fizikalnih idej, kot sta Bose-Einsteinova in Fermi-Diracova statistika. Wheelerjeva fantastična ideja, da so vsi elektroni enaki, ker predstavljajo trenutne odseke zapletene svetovne črte enega elektrona, je vodila do Feynman do elegantne poenostavitve tehnike diagramskega izračuna v kvantni teoriji polja.

b) Prave ali brezdimenzijske konstante. To so razmerja več označenih točk na spektru količine ene dimenzije, na primer razmerje mas električnih delcev: omenili smo že m p / m e. Identifikacija različnih dimenzij ob upoštevanju nove zakonitosti, to je redukcije skupine dimenzij, vodi do poenotenja prej različnih spektrov in do potrebe po razlagi novih števil.

Na primer, dimenzije m e , c in h ustvarjajo Newtonovo skupino in zato vodijo do enakih naravnih atomskih enot dimenzij M, L, T kot Planckove enote. Zato njihov odnos do Planckovih enot zahteva teoretično razlago, vendar, kot smo rekli, je to nemogoče, dokler ne obstaja (G, c, h) teorija. Vendar pa v (m e, c, h) teoriji - kvantni elektrodinamiki - obstaja brezdimenzionalna količina, vrednosti katere se sodobna kvantna elektrodinamika v določenem pomenu besede zahvaljuje za svoj obstoj. Postavimo dva elektrona na razdaljo h/ m e c (tako imenovana Comptonova valovna dolžina elektrona) in izmerimo razmerje med energijo njunega elektrostatičnega odboja in energijo m e c 2, ki je enaka masi mirovanja elektrona. Rezultat je a = 7,2972 x 10 -3 ≈ 1/137. To je znana konstanta fine strukture.

Kvantna elektrodinamika opisuje zlasti procese, pri katerih se število delcev ne ohrani: v vakuumu se rodijo pari elektron-pozitron, ti pa anihilirajo. Zaradi dejstva, da je proizvodna energija (ne manj kot 2m e c 2) več stokrat večja od energije značilne Coulombove interakcije (zaradi vrednosti a), je mogoče izvesti učinkovito računsko shemo, v kateri ti sevalni popravki niso popolnoma zavrženi, a tudi ne "pokvarijo življenja" teoretika brezupno.

Za vrednost α ni teoretične razlage. Matematiki imajo svoje čudovite spektre: spektre uglednih linearnih operatorjev-generatorjev preprostih Liejevih skupin v ireduktibilnih reprezentacijah, obsege temeljnih domen, dimenzije homoloških in kohomoloških prostorov itd. Prostor za domišljijo, prepoznavanje spektrov matematikov in spektrov fizikov, je odprta - prej so potrebna načela, ki omejujejo izbiro. A vrnimo se k stalnicam.

Naslednji tip med njimi, ki zavzame veliko prostora v tabelah, je:

c) Faktorji pretvorbe iz ene lestvice v drugo, na primer iz atomske v »človeško«. Sem spadajo: že omenjeno število Avogadro N0 = 6,02 x 1023 - v bistvu en gram, izražen v enotah "protonske mase", čeprav je tradicionalna definicija nekoliko drugačna, kot tudi stvari, kot je svetlobno leto v kilometrih. Najbolj gnusna stvar za matematika so seveda koeficienti prehoda iz ene fizično nesmiselne enote v drugo, prav tako nesmiselno: iz komolcev v čevlje ali iz Reaumurja v Fahrenheit. V človeškem smislu so to včasih najpomembnejše številke; kot je modro zapisal Winnie the Pooh: "Ne vem, koliko litrov, metrov in kilogramov je v njem, a tigri, ko skačejo, se nam zdijo ogromni."

d) "Razpršeni spektri". To so značilnosti materialov (ne elementov ali čistih spojin, ampak običajnih tehnoloških vrst jekla, aluminija, bakra), astronomskih podatkov (masa Sonca, premer Galaksije ...) in mnogih podobnih. Narava proizvaja kamne, planete, zvezde in galaksije, ne da bi se zmenila za njihovo enakost, za razliko od elektronov, vendar se njihove lastnosti kljub temu spreminjajo le v dokaj določenih mejah. Teoretične razlage teh "dovoljenih območij", ko jih poznamo, so lahko izredno zanimive in poučne."

Manin Yu.I., Matematika kot metafora, M., “MCNMO Publishing House”, 2010, str. 177-179.

Razmislimo o naravi interakcije osnovnih delcev. Delci medsebojno delujejo z izmenjavo kvantov polj sile in kot je bilo do sedaj ugotovljeno, so v naravi opažene štiri vrste sil, štiri temeljne interakcije:

močna (jedrska, vezava protonov in nevtronov v jedrih kemičnih elementov);

elektromagnetni;

šibek (odgovoren za razmeroma počasen beta razpad)

gravitacijski (ki vodi do Newtonovega zakona univerzalne gravitacije). Gravitacijske in elektromagnetne interakcije se nanašajo na sile, ki se pojavljajo v gravitacijskih in elektromagnetnih poljih. Narava gravitacijske interakcije, ki jo je kvantitativno določil Newton, še vedno ni povsem določena in ni jasno, kako se to delovanje prenaša skozi vesolje.

Jedrske sile, povezane z močnimi interakcijami, delujejo na kratkih razdaljah, približno 10-15 m, v jedrih in zagotavljajo njihovo stabilnost ter prevladajo nad odbojnim učinkom Coulombovih sil elektromagnetnih polj. Zato so jedrske sile v glavnem privlačne sile in delujejo med protoni ( R- R) in nevtroni ( p- p). Obstaja tudi protonsko-nevtronska interakcija ( str- p). Ker so ti delci združeni v eno skupino nukleonov, se ta interakcija imenuje tudi nukleon-nukleon.

Šibke interakcije se kažejo v procesih jedrskega razpada ali širše v procesih interakcije med elektronom in nevtrinom (lahko tudi med poljubnimi pari osnovnih delcev).

Kot že vemo, se gravitacijske in elektromagnetne interakcije spreminjajo z razdaljo kot 1/ r 2 in so dolgega dosega. Jedrske (močne) in šibke interakcije so kratkega dosega. Glede na velikost so glavne interakcije razvrščene v naslednjem vrstnem redu: močne (jedrske), električne, šibke, gravitacijske.

Predpostavlja se, da so kvanti - nosilci teh štirih polj sile: za močno interakcijo - brezmasni gluoni (8); za elektromagnetne - brezmasne fotone (svetlobni kvanti s spinom 1); za šibke - bozone (trije delci 90-krat težji od protona) in za gravitacijske - brezmasne gravitone (s spinom 2).

Gluoni lepijo in zadržujejo kvarke znotraj protonov in jeder. Kvanti vseh teh interakcijskih polj imajo cele spine in so torej bozoni, v nasprotju z delci - fermioni, ki imajo spin 1/2. Gluoni in kvarki imajo nekakšen "naboj", ki se običajno imenuje "barvni naboj" ali preprosto "barva". V kvantni kromodinamiki veljajo za sprejemljive samo tri barve – rdeča, modra in zelena. Gluoni in kvarki še niso neposredno opazovani in domneva se, da barvni kvarki "nimajo pravice" odleteti iz jeder, tako kot fononi - kvanti toplotnih vibracij kristalne mreže atomov - obstajajo samo znotraj trdnih teles . Ta lastnost vezave ali omejevanja kvarkov in gluonov v hadronih se imenuje konfinacija. Samo bele ("brezbarvne") kombinacije kvarkov v obliki hadronov - barionov in mezonov, ki nastanejo v jedrskih reakcijah med trki različnih delcev, imajo pravico, da odletijo iz jeder in jih opazujejo. Zanimivo je, da se en sam kvark, ki se pojavi kot posledica nekaterih procesov, skoraj v trenutku (v 10-21 s) "dopolni" v hadron in ne more več odleteti iz hadrona.

Štiri temeljne interakcije ustrezajo štirim svetovnim konstantam. Ogromno število fizikalnih konstant ima dimenzije, ki so odvisne od sistema referenčnih enot, na primer v naboju SI (mednarodni sistem enot - mednarodni sistem). e=1,6 10 -19 C, njegova masa t = 9,1 · 10 -31 kg. V različnih referenčnih sistemih imajo osnovne enote različne številske vrednosti in dimenzije. Ta situacija ne ustreza znanosti, saj je bolj priročno imeti brezdimenzijske konstante, ki niso povezane s pogojno izbiro začetnih enot in referenčnih sistemov. Poleg tega temeljne konstante ne izhajajo iz fizikalnih teorij, temveč so določene eksperimentalno. V tem smislu teoretične fizike ni mogoče šteti za samozadostno in popolno za razlago lastnosti narave, dokler problem, povezan s svetovnimi konstantami, ni razumljen in razložen.

Analiza razsežnosti fizikalnih konstant vodi do spoznanja, da igrajo zelo pomembno vlogo pri gradnji posameznih fizikalnih teorij. Če pa poskušamo ustvariti enoten teoretični opis vseh fizikalnih procesov, tj. z drugimi besedami, oblikovati enotno znanstveno sliko sveta od mikro do makro ravni, potem bi morala biti glavna, odločilna vloga brezrazsežnosti. , tj. "prav" svet, konstante. To so konstante glavnih interakcij.

Konstanta gravitacijske interakcije:

Konstanta elektromagnetne interakcije:

.

Konstanta močne interakcije:

,

Kje - barvni naboj (indeks "s" iz angleške besede "strong" - močan.)

Konstanta šibke interakcije:

,

Kje g~ 1,4 10 -62 J m 3 - Fermijeva konstanta.(Indeks "w" iz angleške besede "weak" je šibek.) Upoštevajte, da je dimenzijsko konstanto gravitacijske interakcije pridobil sam I. Newton: G~ 6,67·10 -11 m 3 ·s 2 ·kg -1.

Znano je, da je ta zakon univerzalne gravitacije nedokazljiv, saj je bil pridobljen s posploševanjem eksperimentalnih dejstev. Poleg tega njegove absolutne pravičnosti ni mogoče zagotoviti, dokler ne postane jasen sam mehanizem gravitacije. Konstanta elektromagnetne interakcije je odgovorna za preoblikovanje nabitih delcev v enake delce, vendar s spremembo hitrosti njihovega gibanja in pojavom dodatnega delca - fotona. Močne in šibke interakcije se kažejo v procesih mikrosveta, kjer so možne medsebojne pretvorbe delcev. Zato je močna interakcijska konstanta kvantificira barionske interakcije. Konstanta šibke interakcije je povezana z intenzivnostjo transformacij osnovnih delcev z udeležbo nevtrinov in antinevtrinov.

Menijo, da vse štiri vrste interakcij in njihove konstante določajo trenutno strukturo in obstoj vesolja. Tako gravitacija drži planete v njihovih orbitah in telesa na Zemlji. Elektromagnetna – zadržuje elektrone v atomih in jih povezuje v molekule, iz katerih smo sestavljeni tudi sami. Šibko - zagotavlja dolgoročno "gorenje" zvezd in Sonca, ki zagotavlja energijo za vse življenjske procese na Zemlji. Močna interakcija zagotavlja stabilen obstoj večine atomskih jeder. Teoretična fizika kaže, da spreminjanje numeričnih vrednosti teh ali drugih konstant vodi do uničenja stabilnosti enega ali več strukturnih elementov vesolja. Na primer, povečanje mase elektronov m 0 od ~ 0,5 MeV do 0,9 MeV bo porušilo energijsko ravnovesje v reakciji proizvodnje devterija v sončnem ciklu in povzročilo destabilizacijo stabilnih atomov in izotopov. Devterij je vodikov atom, sestavljen iz protona in nevtrona. To je "težak" vodik z A = 2 (tritij ima A = 3.) Zmanjšaj le 40 % bi povzročilo, da bi bil devterij nestabilen. Povečanje bo naredilo biproton stabilen, kar bo vodilo do izgorevanja vodika v zgodnjih fazah evolucije vesolja. Konstanta spreminja znotraj 1/170< < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение bi povzročilo zmanjšanje življenjske dobe prostih nevtronov. To pomeni, da v zgodnji fazi vesolja helij ne bi nastal in ne bi prišlo do fuzijske reakcije delcev α med sintezo ogljika 3α -> 12C. Potem bi namesto našega ogljikovega vesolja obstajalo vodikovo vesolje. Zmanjšanje bi privedlo do tega, da bi bili vsi protoni vezani v delce α (helijev univerzum).

V sodobnem naravoslovju se domneva, da so svetovne konstante stabilne od časa 10 -35 s od trenutka rojstva vesolja in da torej v našem vesolju obstaja tako rekoč zelo natančen “ prilagoditev" številčnih vrednosti svetovnih konstant, ki določajo potrebne vrednosti za obstoj jeder in atomov, zvezd in galaksij. Pojav in obstoj takšne situacije ni jasen. Ta »prilagoditev« (konstante so točno to, kar so!) ustvarja pogoje za obstoj ne le kompleksnih anorganskih in organskih, temveč tudi živih organizmov, vključno s človekom. P. Dirac je izrazil idejo o skupni spremembi v času temeljnih konstant. Na splošno lahko domnevamo, da raznolikost in enotnost fizičnega sveta, njegov red in harmonijo, predvidljivost in ponovljivost tvori in nadzoruje sistem majhnega števila temeljnih konstant.