Фундаментальные физические константы. Константа взаимодействия Israel безразмерные константы атома

Каким невообразимо странным был бы мир, если бы физические константы могли изменяться! Например, так называемая постоянная тонкой структуры примерно равна 1/137. Если бы она имела другую величину, то между веществом и энергией, возможно, не было бы никакого различия.

Есть вещи, которые никогда не меняются. Ученые называют их физическими константами, или мировыми постоянными. Считается, что скорость света $c$, гравитационная постоянная $G$, масса электрона $m_e$ и некоторые другие величины всегда и везде остаются неизменными. Они образуют основу, на которой зиждутся физические теории, и определяют структуру Вселенной.

Физики прилагают немало усилий, чтобы измерить мировые постоянные со все более высокой точностью, но никому еще не удалось хоть как-то объяснить, почему их значения именно таковы, каковы они есть. В системе СИ $c = 299792458$ м/с, $G = 6,673\cdot 10^{–11}Н\cdot$м$^2$/кг$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^{–31}$ кг – совершенно не связанные между собой величины, у которых есть лишь одно общее свойство: изменись они хоть немного, и существование сложных атомных структур, в том числе живых организмов, окажется под большим вопросом. Стремление обосновать значения констант стало одним из стимулов к разработке единой теории, полностью описывающей все существующие явления. С ее помощью ученые надеялись показать, что у каждой мировой постоянной может быть только одно возможное значение, обусловленное внутренними механизмами, которые определяют обманчивую произвольность природы.

Лучшим кандидатом на звание единой теории считается М-теория (вариант теории струн), которую можно считать состоятельной в том случае, если Вселенная имеет не четыре пространственно-временных измерения, а одиннадцать. Следовательно, наблюдаемые нами постоянные фактически могут и не быть действительно фундаментальными. Истинные константы существуют в полном многомерном пространстве, а мы видим лишь их трехмерные «силуэты».

ОБЗОР: МИРОВЫЕ КОНСТАНТЫ

1. Во многих физических уравнениях встречаются величины, которые считаются неизменными всюду – в пространстве и времени.

2. В последнее время ученые сомневаются в постоянстве мировых констант. Сравнивая результаты наблюдений квазаров и лабораторных измерений, они приходят к выводу, что химические элементы в далеком прошлом поглощали свет не так, как сегодня. Различие можно объяснить изменением на несколько миллионных долей постоянной тонкой структуры.

3. Подтверждение даже столь малого изменения станет настоящим переворотом в науке. Наблюдаемые константы могут оказаться лишь «силуэтами» истинных постоянных, существующих в многомерном пространстве-времени.

Тем временем физики пришли к выводу, что величины многих постоянных могут быть результатом случайных событий и взаимодействий между элементарными частицами на ранних стадиях истории Вселенной. Теория струн допускает существование огромного количества ($10^{500}$) миров с различными самосогласованными наборами законов и констант (см. «Пейзаж теории струн», «В мире науки», №12, 2004 г. ). Пока же ученые понятия не имеют, почему была отобрана наша комбинация. Возможно, в результате дальнейших исследований количество логически возможных миров снизится до одного, но не исключено, что наша Вселенная – это лишь небольшой участок мультивселенной, в которой реализованы различные решения уравнений единой теории, а мы наблюдаем просто один из вариантов законов природы (см. «Параллельные Вселенные» , «В мире науки», №8, 2003 г. ).В таком случае для многих мировых констант нет никакого объяснения, кроме того, что они составляют редкую комбинацию, допускающую развитие сознания. Возможно, наблюдаемая нами Вселенная стала одним из многих изолированных оазисов, окруженных бесконечностью безжизненного космического пространства – сюрреалистического места, где господствуют совершенно чуждые нам силы природы, а частицы типа электронов и структуры типа атомов углерода и молекул ДНК просто невозможны. Попытка попасть туда обернулась бы неминуемой гибелью.

Теория струн была разработана в том числе и для того, чтобы объяснить кажущуюся произвольность физических постоянных, поэтому в ее основных уравнениях содержится всего несколько произвольных параметров. Но пока она не объясняет наблюдаемые значения констант.

Надежная линейка

На самом деле употребление слова «постоянная» не совсем правомерно. Наши константы могли бы изменяться во времени и в пространстве. Если бы дополнительные пространственные измерения изменялись в размере, константы в нашем трехмерном мире менялись бы вместе с ними. И если бы мы заглянули достаточно далеко в пространство, то могли бы увидеть области, где константы приняли другие значения. Начиная с 1930-х гг. ученые размышляли о том, что константы могут и не быть постоянными. Теория струн придает этой идее теоретическое правдоподобие и делает тем более важным поиск непостоянства.

Первая проблема состоит в том, что сама лабораторная установка может быть чувствительна к изменениям констант. Размеры всех атомов могли бы возрасти, но если бы линейка, которую используют для измерений, тоже стала длиннее, ничего нельзя было бы сказать об изменении размеров атомов. Экспериментаторы обычно предполагают, что эталоны величин (линейки, гири, часы) неизменны, но этого невозможно достичь при проверке констант. Исследователи должны обратить внимание на безразмерные константы – просто числа, не зависящие от системы единиц измерения, например, отношение массы протона к массе электрона.

Изменяется ли внутреннее строение мироздания?

Особый интерес представляет величина $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, объединяющая скорость света $c$, электрический заряд электрона $e$, постоянную Планка $h$ и так называемую диэлектрическую постоянную вакуума $\epsilon_0$. Ее называют постоянной тонкой структуры. Впервые она была введена в 1916 г. Арнольдом Зоммерфельдом, который одним из первых попытался применить квантовую механику к электромагнетизму: $\alpha$ связывает релятивистскую (c) и квантовую (h) характеристики электромагнитных (e) взаимодействий, в которых участвуют заряженные частицы в пустом пространстве ($\epsilon_0$). Измерения показали, что эта величина равна 1/137,03599976 (приблизительно 1/137).

Если бы $\alpha $ имела другое значение, то изменился бы весь окружающий мир. Будь она меньше, плотность твердого вещества, состоящего из атомов, уменьшилась бы (про порционально $\alpha^3 $), молекулярные связи разрывались бы при более низких температурах ($\alpha^2 $), а число устойчивых элементов в таблице Менделеева могло бы возрасти ($1/\alpha $). Окажись $\alpha $ слишком большой, малые атомные ядра не могли бы существовать, потому что связывающие их ядерные силы не смогли бы препятствовать взаимному отталкиванию протонов. При $\alpha >0.1 $ не мог бы существовать углерод.

Ядерные реакции в звездах особенно чувствительны к величине $\alpha $. Чтобы мог происходить ядерный синтез, тяготение звезды должно создавать достаточно высокую температуру, чтобы заставить ядра сближаться, несмотря на их тенденцию отталкиваться друг от друга. Если бы $\alpha $ превышала 0,1, то синтез был бы невозможен (если, конечно, другие параметры, например, отношение масс электрона и протона, остались прежними). Изменение $\alpha$ всего на 4% до такой степени повлияло бы на энергетические уровни в ядре углерода, что его возникновение в звездах просто прекратилось бы.

Внедрение ядерных методов

Вторая, более серьезная, экспериментальная проблема связана с тем, что для измерения изменений констант требуется высокоточное оборудование, которое должно быть чрезвычайно стабильным. Даже с помощью атомных часов дрейф постоянной тонкой структуры можно отслеживать на протяжении лишь нескольких лет. Если бы $\alpha $ изменялась больше чем на 4 $\cdot$ $10^{–15}$ за три года, самые точные часы позволили бы это обнаружить. Однако ничего подобного пока зарегистрировано не было. Казалось бы, чем не подтверждение постоянства? Но три года для космоса – мгновение. Медленные, но существенные изменения в течение истории Вселенной могут пройти незамеченными.

СВЕТ И ПОСТОЯННАЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ

К счастью, физики нашли другие способы проверки. В 1970-х гг. ученые французской Комиссии по ядерной энергии заметили некоторые особенности в изотопном составе руды из урановой шахты в Окло в Габоне (Западная Африка): она напоминала отходы ядерного реактора. Видимо, приблизительно 2 млрд. лет назад в Окло образовался естественный ядерный реактор (см. «Божественный реактор», «В мире науки», №1, 2004 г.).

В 1976 г. Александр Шляхтер (Alexander Shlyakhter) из Ленинградского института ядерной физики заметил, что работоспособность естественных реакторов критически зависит от точной энергии определенного состояния ядра самария, которое обеспечивает захват нейтронов. А сама энергия сильно связана с величиной $\alpha $. Так, если бы постоянная тонкой структуры была немного другой, никакая цепная реакция, возможно, не произошла бы. Но она действительно происходила, а значит, за прошедшие 2 млрд. лет постоянная не изменилась больше, чем на 1 $\cdot$ $10^{–8}$. (Физики продолжают спорить о точных количественных результатах из-за неизбежной неуверенности в условиях в естественном реакторе.)

В 1962 г. Джеймс Пиблс (P. James E. Peebles) и Роберт Дик (Robert Dicke) из Принстонского университета первыми применили подобный анализ к древним метеоритам: относительная распространенность изотопов, являющаяся результатом их радиоактивного распада, зависит от $\alpha $. Самое чувствительное ограничение связано с бета-распадом при превращении рения в осмий. Согласно недавней работе Кейта Олива (Keith Olive) из Миннесотского университета и Максима Поспелова (Maxim Pospelov) из Университета Виктории в Британской Колумбии, в то время, когда формировались метеориты, $\alpha$ отличалась от нынешнего значения на 2 $\cdot$ $10^{–6}$. Этот результат менее точен, чем данные, полученные в Окло, но он уходит дальше в глубь времен, к возникновению Солнечной системы 4,6 млрд. лет назад.

Чтобы исследовать возможные изменения на еще более длинных промежутках времени, исследователи должны обратить взор к небесам. Свет от отдаленных астрономических объектов идет к нашим телескопам миллиарды лет и несет отпечаток законов и мировых констант тех времен, когда он только начал свое путешествие и взаимодействие с веществом.

Спектральные линии

Астрономы ввязались в историю с константами вскоре после открытия квазаров в 1965 г., которые были только что обнаружены и идентифицированы как яркие источники света, расположенные на огромных расстояниях от Земли. Поскольку путь света от квазара до нас настолько велик, он неизбежно пересекает газообразные окрестности молодых галактик. Газ поглощает свет квазара на специфических частотах, отпечатывая штрих-код из узких линий на его спектре (см. врезку внизу).

ПОИСК ИЗМЕНЕНИЙ В ИЗЛУЧЕНИИ КВАЗАРА

Когда газ поглощает свет, электроны, содержащиеся в атомах, перескакивают с низких энергетических уровней на более высокие. Уровни энергии определяются тем, насколько сильно атомное ядро удерживает электроны, что зависит от силы электромагнитного взаимодействия между ними и, следовательно, от постоянной тонкой структуры. Если она была другой в тот момент времени, когда свет был поглощен, или в какой-то конкретной области Вселенной, где это происходило, то энергия, требуемая для перехода электрона на новый уровень, и длины волн переходов, наблюдаемых в спектрах, должны отличаться от наблюдаемых сегодня в лабораторных экспериментах. Характер изменения длин волн критически зависит от распределения электронов на атомных орбитах. При заданном изменении $\alpha$ одни длины волн уменьшаются, другие – увеличиваются. Сложную картину эффектов трудно спутать с ошибками калибровки данных, что делает такой эксперимент чрезвычайно полезным.

Приступив к работе семь лет назад, мы столкнулись с двумя проблемами. Во-первых, длины волн многих спектральных линий не были измерены с достаточной точностью. Как ни странно, о спектрах квазаров, удаленных на миллиарды световых лет, ученые знали гораздо больше, чем о спектрах земных образцов. Нам нужны были лабораторные измерения высокой точности, чтобы сравнить с ними спектры квазара, и мы убедили экспериментаторов провести соответствующие измерения. Они были выполнены Энн Торн (Anne Thorne) и Джульет Пикеринг (Juliet Pickering) из Имперского колледжа в Лондоне, а затем группами во главе со Свенериком Иохансоном (Sveneric Johansson) из Лундской обсерватории в Швеции, а также Ульфом Грисманном (Ulf Griesmann) и Рэйнером Клингом (Rainer Kling) из Национального института стандартов и технологии в штате Мэриленд.

Вторая проблема состояла в том, что предыдущие наблюдатели использовали так называемые щелочные дублеты – пары линий поглощения, возникающие в атомарных газах углерода или кремния. Они сравнивали интервалы между этими линиями в спектрах квазара с лабораторными измерениями. Однако такой метод не позволял использовать одно специфическое явление: вариации $\alpha $ вызывают не только изменение интервала между уровнями энергии атома относительно уровня с самой низкой энергией (основное состояние), но и изменение положения самого основного состояния. Фактически второй эффект даже более силен, чем первый. В результате точность наблюдений составила всего 1 $\cdot$ $10^{–4}$.

В 1999 г. один из авторов статьи (Веб) и Виктор Фламбаум (Victor V. Flambaum) из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии разработали методику, позволяющую принимать во внимание оба эффекта. В результате чувствительность удалось увеличить в 10 раз. Кроме того, появилась возможность сравнивать различные виды атомов (например, магний и железо) и проводить дополнительные перекрестные проверки. Пришлось выполнить сложные расчеты, чтобы точно установить, как наблюдаемые длины волн меняются в атомах различных типов. Вооружившись современными телескопами и датчиками, мы решили проверить постоянство $\alpha $ с беспрецедентной точностью по новому методу многих мультиплетов.

Пересмотр взглядов

Приступая к экспериментам, мы просто хотели с более высокой точностью установить, что величина постоянной тонкой структуры в древние времена была такой же, как сегодня. К нашему удивлению, результаты, полученные в 1999 г., показали небольшие, но статистически существенные различия, которые впоследствии подтвердились. Используя данные по 128 линиям поглощения квазара, мы зарегистрировали увеличение $\alpha$ на 6 $\cdot$ $10^{–6}$ за прошедшие 6–12 млрд. лет.

Результаты измерений постоянной тонкой структуры не позволяют сделать окончательных выводов. Некоторые из них указывают, что когда-то она была меньше, чем сейчас, а некоторые – нет. Возможно, α менялась в далеком прошлом, но теперь стала постоянной. (Прямоугольники изображают диапазон изменения данных.)

Смелые утверждения требуют состоятельных доказательств, так что первым нашим шагом стал тщательный пересмотр методов сбора данных и их анализа. Ошибки измерения можно разделить на два типа: систематические и случайные. Со случайными неточностями все просто. В каждом отдельном измерении они принимают разные значения, которые при большом количестве измерений усредняются и стремятся к нулю. С систематическими ошибками, которые не усредняются, бороться труднее. В астрономии неопределенности такого рода встречаются на каждом шагу. В лабораторных экспериментах настройку приборов можно менять, чтобы минимизировать ошибки, но астрономы не могут «подстроить» Вселенную, и им приходится признавать, что все их методы сбора данных содержат неустранимые смещения. Например, наблюдаемое пространственное распределение галактик заметно смещено в сторону ярких галактик, потому что их легче наблюдать. Идентификация и нейтрализация таких смещений – постоянная задача для наблюдателей.

Сначала мы обратили внимание на возможное искажение масштаба длин волн, относительно которого измерялись спектральные линии квазара. Оно могло возникнуть, например, во время переработки «сырых» результатов наблюдения квазаров в калиброванный спектр. Хотя простое линейное растяжение или сжатие масштаба длины волны не могло точно имитировать изменение $\alpha$, даже приблизительного сходства было бы достаточно для объяснения полученных результатов. Постепенно мы исключили простые ошибки, связанные с искажениями, подставляя вместо результатов наблюдения квазара калибровочные данные.

Более двух лет мы разбирались с различными причинами смещения, чтобы убедиться, что их влияние пренебрежимо мало. Мы обнаружили только один потенциальный источник серьезных ошибок. Речь идет о линиях поглощения магния. Каждый из трех устойчивых его изотопов поглощает свет с разными длинами волн, которые очень близки друг к другу и в спектрах квазаров видны как одна линия. Исходя из лабораторных измерений относительной распространенности изотопов, исследователи судят о вкладе каждого из них. Их распределение в молодой Вселенной могло бы существенно отличаться от современного, если бы звезды, которые испускали магний, в среднем были более тяжелыми, чем их сегодняшние аналоги. Такие различия могли бы имитировать изменение $\alpha $.Но результаты исследования, опубликованного в этом году, указывают, что наблюдаемые факты не так легко объяснить. Йеш Феннер (Yeshe Fenner) и Брэд Гибсон (Brad K. Gibson) из Технологического университета Суинберна в Австралии и Майкл Мэрфи (Michael T. Murphy) из Кембриджского университета пришли к выводу, что распространенность изотопов, необходимая для имитации изменения $\alpha$, приводила бы также к избыточному синтезу азота в ранней Вселенной, что совершенно не соответствует наблюдениям. Таким образом, мы должны смириться с вероятностью того, что $\alpha $ действительно изменялась.

ИНОГДА МЕНЯЕТСЯ, ИНОГДА – НЕТ

Согласно гипотезе, выдвинутой авторами статьи, в одни периоды космической истории постоянная тонкой структуры оставалась неизменной, а в другие – возрастала. Экспериментальные данные (см. предыдущую врезку) согласуются с этим предположением.

Научное сообщество сразу оценило значение полученных нами результатов. Исследователи спектров квазаров всего мира тут же занялись измерениями. В 2003 г. научно-исследовательские группы Сергея Левшакова (Sergei Levshakov) из Санкт-Петербургского физикотехнического института им. Иоффе и Ральфа Кваста (Ralf Quast) из Гамбургского университета изучили три новые системы квазаров. В прошлом году Хам Чанд (Hum Chand) и Рагунатан Шринанд (Raghunathan Srianand) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Индии, Патрик Птижан (Patrick Petitjean) из Института астрофизики и Бастьен Арасиль (Bastien Aracil) из LERMA в Париже проанализировали еще 23 случая. Ни одна из групп не обнаружила изменения $\alpha $. Чанд утверждает, что любое изменение за интервал от 6 до 10 млрд. лет назад должно быть меньше, чем одна миллионная.

Почему похожие методики, использованные для анализа различных исходных данных, привели к такому радикальному несоответствию? Ответ пока неизвестен. Результаты, полученные упомянутыми исследователями, имеют превосходное качество, но объем их выборок и возраст проанализированного излучения существенно меньше, чем у нас. К тому же Чанд использовал упрощенную версию многомультиплетного метода и не проводил полную оценку всех экспериментальных и систематических ошибок.

Известный астрофизик Джон Бэкол (John Bahcall) из Принстона подверг критике сам многомультиплетный метод, но проблемы, на которые он обращает внимание, относятся к категории случайных ошибок, которые сводятся к минимуму при использовании больших выборок. Бэкол, а также Джефри Ньюман (Jeffrey Newman) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли рассматривали линии испускания, а не поглощения. Их подход намного менее точен, хотя в будущем, возможно, окажется полезным.

Законодательная реформа

Если наши результаты окажутся правильными, последствия будут огромны. До недавнего времени все попытки оценить, что произошло бы с Вселенной, если бы постоянная тонкой структуры изменилась, были неудовлетворительными. Они не шли дальше рассмотрения $\alpha$ как переменной в тех же формулах, которые были получены в предположении, что она постоянна. Согласитесь, весьма сомнительный подход. Если $\alpha $ изменяется, то энергия и импульс в связанных с ней эффектах должны сохраняться, что должно влиять на гравитационное поле во Вселенной. В 1982 г. Якоб Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) из Еврейского университета в Иерусалиме впервые обобщил законы электромагнетизма для случая непостоянных констант. В его теории $\alpha $ рассматривается как динамическая компонента природы, т.е. как скалярное поле. Четыре года назад один из нас (Бэрроу) вместе с Хеуордом Сэндвиком (Håvard Sandvik) и Хояо Магуэйхо (João Magueijo) из Имперского колледжа в Лондоне расширили теорию Бекенштейна, включив в нее учет сил тяготения.

Предсказания обобщенной теории заманчиво просты. Поскольку электромагнетизм в космических масштабах намного слабее гравитации, изменения $\alpha$ на несколько миллионных не оказывают на расширение Вселенной заметного влияния. А вот расширение существенно влияет на $\alpha $ за счет несоответствия между энергиями электрического и магнитного полей. В течение первых десятков тысяч лет космической истории излучение доминировало над заряженными частицами и поддерживало баланс между электрическим и магнитным полями. По мере расширения Вселенной излучение разреживалось, и доминирующим элементом космоса стало вещество. Электрические и магнитные энергии оказались неравными, и $\alpha $ начала возрастать пропорционально логарифму времени. Приблизительно 6 млрд. лет назад начала преобладать темная энергия, ускорившая расширение, которое затрудняет распространение всех физических взаимодействий в свободном пространстве. В результате $\alpha$ снова стала почти постоянной.

Описанная картина согласуется с нашими наблюдениями. Спектральные линии квазара характеризуют тот период космической истории, когда доминировала материя и $\alpha$ возрастала. Результаты лабораторных измерений и исследований в Окло соответствуют периоду, когда доминирует темная энергия и $\alpha$ постоянна. Особенно интересно дальнейшее изучение влияния изменения $\alpha$ на радиоактивные элементы в метеоритах, потому что оно позволяет исследовать переход между двумя названными периодами.

Альфа – это только начало

Если постоянная тонкой структуры изменяется, то материальные объекты должны падать по-разному. В свое время Галилей сформулировал слабый принцип эквивалентности, согласно которому тела в вакууме падают с одинаковой скоростью независимо от того, из чего они состоят. Но изменения $\alpha$ должны порождать силу, действующую на все заряженные частицы. Чем больше протонов содержит атом в своем ядре, тем сильнее он будет чувствовать ее. Если выводы, сделанные при анализе результатов наблюдения квазаров, верны, то ускорение свободного падения тел из различных материалов должно отличаться примерно на 1 $\cdot$ $10^{–14}$. Это в 100 раз меньше, чем можно измерить в лаборатории, но достаточно много, чтобы обнаружить различия в таких экспериментах, как STEP (проверка принципа эквивалентности в космосе).

В предыдущих исследованиях $\alpha $ ученые пренебрегали неоднородностью Вселенной. Подобно всем галактикам, наш Млечный путь приблизительно в миллион раз более плотен, чем космическое пространство в среднем, так что он не расширяется вместе со Вселенной. В 2003 г. Бэрроу и Дэвид Мота (David F. Mota) из Кембриджа вычислили, что $\alpha$ может вести себя по-разному в пределах галактики и в более пустых областях пространства. Как только молодая галактика уплотняется и, релаксируя, приходит в гравитационное равновесие, $\alpha$ становится постоянной внутри галактики, но продолжает меняться снаружи. Таким образом, эксперименты на Земле, в которых проверяется постоянство $\alpha$, страдают от предвзятого выбора условий. Нам еще предстоит разобраться, как это сказывается на проверке слабого принципа эквивалентности. Никакие пространственные вариации $\alpha$ пока еще не были замечены. Полагаясь на однородность реликтового излучения, Бэрроу недавно показал, что $\alpha $ не изменяется больше чем на 1 $\cdot$ $10^{–8}$ между областями небесной сферы, отстоящими на $10^o$.

Нам остается ждать появления новых данных и проведения новых исследований, которые окончательно подтвердят или опровергнут гипотезу об изменении $\alpha $. Исследователи сосредоточились именно на этой константе просто потому, что эффекты, обусловленные ее вариациями, легче заметить. Но если $\alpha $ действительно непостоянна, то другие константы тоже должны изменяться. В таком случае нам придется признать, что внутренние механизмы природы гораздо сложнее, чем мы предполагали.

ОБ АВТОРАХ:
Джон Бэрроу (John D. Barrow) , Джон Веб (John K. Webb) занялись исследованием физических постоянных в 1996 г. во время совместного творческого отпуска в Сассекском университете в Англии. Тогда Бэрроу исследовал новые теоретические возможности изменения констант, а Веб занимался наблюдениями квазаров. Оба автора пишут научно-популярные книги и часто выступают в телевизионных программах.

«Подведём некоторые итоги. Справочник «Таблицы физических величин» (М.: Атомиздат, 1976) содержит 1005 страниц текста и многие миллионы чисел; как в них разобраться?

Эти величины делятся по крайней мере на четыре типа.

а) Естественные единицы измерения, или физически отмеченные точки спектров. Это - не числа, а такие величины, как G, с, h, m е, е (заряд электрона). Это - размерные характеристики некоторых явлений, поддающихся воспроизведению многократно, с высокой степенью точности. Это - отображение того, что природа тиражирует элементарные ситуации огромными сериями. Размышления над тождественностью подобных кирпичиков мироздания приводили иногда к таким глубоким физическим идеям, как статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Фантастическая мысль Уилера, что все электроны тождественны потому, что представляют собой мгновенные сечения запутанной в клубок мировой линии одного электрона, привела Фейнмана к изящному упрощению диаграммной техники вычислений в квантовой теории поля.

б) Истинные, или безразмерные, константы. Это - отношения нескольких отмеченных точек на спектре величины одной размерности, например, отношения масс электрических частиц: мы уже упоминали m p /m e . Отождествление разных размерностей при учёте нового закона, т. е. редукция группы размерностей, приводит к объединению прежде разных спектров и к необходимости объяснять новые числа.

Например, размерности m e ,с и h порождают группу Ньютона и потому приводят к столь же естественным атомным единицам размерностей М, L, Т, как и единицы Планка. Поэтому их отношения к планковским единицам нуждаются в теоретическом объяснении, Но, как мы говорили, это невозможно, пока отсутствует (G, с, h)-теория. Однако и в (m е, с, h)-теории - квантовой электродинамике - имеется безразмерная величина, значению которой современная квантовая электродинамика в некотором смысле слова обязана своим существованием. Поместим два электрона на расстоянии h/ m е c (так называемая комптоновская длина волны электрона) и измерим отношение энергии их электростатического отталкивания к энергии m е c 2 , эквивалентной массе покоя электрона. Получится число а = 7,2972 х 10 -3 ≈ 1/137. Это - знаменитая постоянная тонкой структуры.

Квантовая электродинамика описывает, в частности, процессы, в которых не сохраняется число частиц: вакуум рождает электрон-позитронные пары, они аннигилируют. Из-за того, что энергия рождения (не меньшая, чем 2m е c 2) в сотни раз больше энергии характерного кулоновского взаимодействия (благодаря значению а), удается провести эффективную схему вычислений, в которой эти радиационные поправки не отбрасываются начисто, но и не «портят жизнь» теоретика безнадёжно.

Теоретического объяснения величины α не существует. У математиков есть свои замечательные спектры: спектры выделенных линейных операторов-генераторов простых групп Ли в неприводимых представлениях, объемы фундаментальных областей, размерности пространств гомологии и когомологий и т. п. Простор для фантазии, отождествляющей спектры математиков и спектры физиков, открыт - нужны скорее принципы, ограничивающие выбор. Но вернёмся к константам.

Следующий их тип, занимающий много места в таблицах, это:

в) Коэффициенты пересчёта из одних масштабов в другие, например, из атомных в «человеческие». К ним относятся: уже упомянутое число Авогадро N 0 = 6,02 х 10 23 - по существу, один грамм, выраженный в единицах «масса протона», хотя традиционное определение немного другое, а также такие вещи, как световой год в километрах. Наиболее отвратительны для математика здесь, конечно, коэффициенты перехода от одних физически бессмысленных единиц к другим, столь же бессмысленным: от локтей к футам или от Реомюра к Фаренгейту. По-человечески это иногда самые главные числа; как мудро заметил Винни-Пух: «Не знаю, сколько в нем литров, и метров, и килограмм, но тигры, когда они прыгают, огромными кажутся нам».

г) «Диффузные спектры». Это - характеристика материалов (не элементов или чистых соединений, а обыкновенных технологических марок стали, алюминия, меди), астрономические данные (масса Солнца, диаметр Галактики...) и многие в том же роде. Природа производит камни, планеты, звёзды и Галактики, не заботясь об их одинаковости, в отличие от электронов, но всё же их характеристики меняются лишь в достаточно определённых пределах. Теоретические объяснения этих «разрешённых зон», когда они известны, бывают замечательно интересными и поучительными».

Манин Ю.И., Математика как метафора, М., «Издательство МЦНМО», 2010 г., с. 177-179.

Проведенные исследования показали, что используемые в современной физике фундаментальные физические константы непосредственно происходят от перечисленных ниже констант вакуума .

h u = 7,69558071(63)·10 –37 Дж·с.

G u

R u = 29,9792458 Ом.

t u = 0,939963701(11)·10 –23 с.

l u = 2,817940285(31)·10 –15 м.

Установлено, что современные фундаментальные физические постоянные имеют вторичный статус по отношению к найденным константам и представляют собой различные комбинации констант h u , t u , l u и чисел π и α. Константам, входящим в h u -t u -l u -π-α-базис, определен специальный статус – они определены как универсальные суперконстанты . На основе универсальных суперконстант получено новое значение гравитационной постоянной Ньютона, планковских констант и найдена универсальная формула силы. Новые фундаментальные физические константы дают широкие возможности для установления новых физических законов и поиска констант взаимодействия для различных физических законов.

Введение

Физика входит в 21-й век с большим клубком нерешенных проблем. Если в конце 19-го века в физике было «все благополучно» за исключением отрицательных результатов опыта Майкельсона и непонятной зависимости излучения абсолютно черного тела от температуры, то к концу 20-го века физика накопила невиданное количество нерешенных проблем. Наиболее важные из них можно найти в недавно опубликованном В.Л. Гинзбургом списке 1999 года .

Если только две проблемы конца 19-го века привели к радикальному изменению ситуации в физике, то клубок нерешенных проблем конца 20-го века способен привести к обвальному пересмотру понимания устройства мира, за которым может последовать перекраивание сложившейся научной картины мира. Обилие неудачных попыток в создании новых физических теорий говорит о том, что правильное стратегическое направление исследований до сих пор не выявлено. Среди нерешенных фундаментальных проблем еще не обозначена та важнейшая проблема, решение которой даст ключ к решению других проблем. Усилия ученых направлены как на теоретические, так и на экспериментальные исследования. Поиск новых подходов активно проводится в области исследования новых физических полей на основе концепции физического вакуума. Для описания новых видов полей и новых взаимодействий необходимо проводить поиск констант взаимодействий. Весьма вероятно, что это должны быть новые еще неизвестные физике константы.

В настоящей работе затронута проблема, которая, на мой взгляд, незаслуженно выпала из поля зрения физиков и до сих пор не была обозначена в числе важнейших фундаментальных проблем. Я имею в виду проблему фундаментальных физических констант. Она должна стоять на первом месте, поскольку именно в ней содержится ключ к решению других проблем физики. Как будет показано ниже на некоторых примерах, эта проблема действительно является ключевой, а ее решение открывает большие возможности для поиска новых физических законов и новых физических констант.

1. Проблема фундаментальных физических констант

Проблема фундаментальных физических констант естественным образом возникла на основе большого количества накопленных результатов исследований в области физики элементарных частиц. Благодаря этому направлению исследований появилось большое количество новых фундаментальных физических постоянных, которые уже выделены в отдельный класс – «атомные и ядерные константы» . Следует отметить, что их количество уже намного превышает количество всех других констант вместе взятых . В общей сложности в физике используются уже сотни физических констант. Список фундаментальных физических констант рекомендованный CODATA 1998 насчитывает около 300 фундаментальных физических констант . То, что количество констант достигло уже нескольких сотен, и все они фундаментальные – явно ненормально. Если к ним подходить как к истинно фундаментальным, то их слишком много. Если исходить из того, что в основе мира лежит единая сущность, и что механические, электрические и гравитационные явления должны иметь единую природу, то для описания всех физических явлений и законов не нужно такое большое количество констант. Если же подходить к понятию фундаментальности по полной мере, то истинной фундаментальностью должны обладать совсем минимальное количество констант, а никак не сотни. Таким образом, существует большое противоречие между минимально необходимым количеством фундаментальных констант и их реальным обилием.

Можно предположить, что известные на сегодня константы являются составными константами и статус фундаментальных они носят лишь в силу исторических особенностей их появления. Тогда возникают вопросы: «из каких новых неприводимых констант они могут состоять и как они связаны между собой?». Если такие первичные константы существуют, то они могли бы претендовать на роль фундаментальных физических суперконстант и заменить собой существующие константы. Существуют ли такие суперконстанты, которые в состоянии заменить такое большое количество столь различных фундаментальных физических констант и сколько их? На эти вопросы в рамках современных знаний ответов пока нет.

Наиболее важные современные физические теории оперируют константами G , h , c в их различных комбинациях . Так, например, теорию тяготения Ньютона можно условно назвать G -теорией . Общая теория относительности является классической (G , c )-теорией. Релятивистская квантовая теория поля является квантовой (h , c )-теорией . Каждая из этих теорий оперирует одной или двумя размерными константами. Открытие планковских единиц длины, массы и времени породили надежду на возможность создания новой квантовой теории на основе трех констант. Однако, попытки создать единую теорию электромагнитных полей, частиц и гравитации на основе трех размерных констант – (G , c , h )-теорию, окончились неудачей. Такой теории до сих пор нет, хотя на ее появление возлагали большие надежды . На G -c -h -базис все еще возлагают надежды как на основополагающую тройку констант для будущей теории. И действительно, многое указывает на то, что трех размерных констант должно быть достаточно для создания единой теории. Ведь неспроста только из трех основных единиц – метра, килограмма и секунды можно получить все производные единицы, имеющие механическую природу. Однако до сих пор неясно, какие три константы должны составить основу будущей непротиворечивой теории? Задача эта оказалась очень сложной. Я считаю, что причины сложности кроются в невыясненной сущности многих фундаментальных констант и в невыясненных истоках их происхождения. Проведенные исследования позволяют сказать, что минимальное количество первичных констант, из которых состоят современные фундаментальные физические константы, действительно существует. При этом в минимальный константный базис входят как уже известные физические постоянные, так и новые константы.

2. Константы физического вакуума

При исследовании свойств физического вакуума, из соотношения для плотности энергии получена следующая формула для полной энергии, заключенной в динамическом объекте вакуума :

Это соотношение напоминает по своему виду формулу Планка E = h ·ν. Только роль кванта действия выполняет в ней не постоянная Планка, а новая константа:

Значение константы G u равно :

G u = 2,56696941(21)·10 –45 Н·с 2 .

Константа R u получила название фундаментальный квант сопротивления . Ее значение равно :

R u = 29,9792458 Ом.

Эти три константы h u , G u , R u являются основными константами вакуума. Примечательным является то, что они непосредственно следуют из непрерывного поля Максвелла .

С константой вакуума G u связан новый динамический закон, свойственный физическому вакууму. Этот закон имеет вид :

где: m э – электромагнитная масса, l – метрическая характеристика.

Из динамического закона следует, что электромагнитная масса принимает значения от некоторого минимального значения до некоторой предельной величины:

Это приводит к тому, что метрическая характеристика изменяется от некоторого максимального значения до некоторой предельной величины:

Уравнение (5) представляет собой динамический закон, который отображает динамическую симметрию вакуума. D -инвариантность вакуума является новым видом симметрии и отражает наиболее фундаментальное свойство Природы. С D -инвариантностью вакуума связан важнейший закон сохранения, который не нарушается при всех видах взаимодействий.

D -инвариантность вакуума является симметрией более высокого порядка, чем известные на сегодня симметрии. Нарушения симметрии, которые наблюдаются в Природе, вплоть до несохранения CP -инвариантности, не затрагивают D -инвариантность вакуума. Границей D -инвариантности являются фундаментальные константы m e и l u , что и отражает динамический закон вакуума. Таким образом, динамическая симетрия вакуума не противоречит идее развития, поскольку D -инвариантность сохраняется и тогда, когда нарушаются другие виды симметрии. В вакууме реализуется реальный физический процесс, обязанный своим существованием динамической симметрии, который приводит к появлению дискретных частиц из непрерывного физического объекта, что в математическом описании представлено как достижение физическими величинами своих предельных квантованных значений .

Из соотношений (2) и (4) следует, что:

В системе СГСЭ соотношение для элементарного заряда примет вид:

(8)

Соотношения (7) и (8) представлены квадратным корнем. Из них непосредственно следует бинарность зарядов, т.е. то, что заряды имеют два знака. Поскольку заряды определяются только константами, то из этих соотношений следует также и квантованность зарядов.

Рассмотривая динамику невещественных объектов вакуума, легко видеть, что первым фиксированным значением энергии, которая соответствует устойчивому физическому объекту, является энергия электрона или позитрона E e . Тогда значение частоты, которое соответствует этой величине энергии будет равно:

ν = E e /h u = 1,063870869·10 23 Гц.

Отсюда следует четвертая физическая константа вакуума – фундаментальный квант времени:

t u = 0,939963701(11)·10 –23 с.

Используя константу скорости света c , получим пятую константу вакуума – фундаментальный квант длины:

l u = 2,817940285(31)·10 –15 м.

Отметим, что значение этой константы в точности совпадает с классическим радиусом электрона. Все пять констант вакуума h u , G u , R u , t u , l u получены на основе нового подхода к пониманию физической сущности полевых структур. Проведенные исследования этих констант показали, что используемые в современной физике фундаментальные физические константы непосредственно происходят от констант физического вакуума . Приведенные выше основные константы вакуума позволяют получить ряд вторичных констант, которые являются производными константами и также относятся к физическому вакууму.

Константы фундаментальной метрики t u и l u образуют новую константу b , названную фундаментальным ускорением :

b = l u /t u 2 .

b = 3,189404629(36)·10 31 м/с 2 .

Эта константа позволила получить новый закон силы

F = m ·b .

Этот закон отражает связь силы с дефектом массы.

Исследования констант вакуума привели к выводу, что для динамических объектов вакуума можно определить константу магнитного момента. Такой магнитный момент был найден в . Он получил название фундаментальный магнетон вакуума. Приводим соотношение для фундаментального магнетона вакуума:

μ u = l u (h u c ) 1/2 /2π.

Значение этой константы равно:

μ u = 2,15418485(11)·10 –26 Дж/Тл.

Фундаментальный магнетон μ u и магнетон Бора μ B связаны между собой следующим соотношением:

μ u = μ B α/π.

3. Универсальные суперконстанты

В получены новые результаты, показывающие, что группа констант вакуума h u , t u , l u совместно с числами π и α, обладает уникальной особенностью. Эта особенность состоит в том, что используемые в физике фундаментальные константы представляют собой различные комбинации перечисленных констант. Таким образом, названные константы вакуума имеют первичный статус и могут выполнять роль онтологического базиса физических констант. Константы, входящие в h u -t u -l u -π-α-базис, названы универсальными суперконстантами .

Их значения следующие:

фундаментальный квант действия h u = 7,69558071(63)·10 –37 Дж·с;
фундаментальный квант длины l u = 2,817940285(31)·10 –15 м;
фундаментальный квант времени t u = 0,939963701(11)·10 –23 с;
постоянная тонкой структуры α = 7,297352533(27)·10 –3 ;
число π = 3,141592653589...

Константы этой группы позволили выявить совершенно неожиданную всеобщую взаимозависимость и глубокую взаимную связь всех фундаментальных физических констант. Ниже, в качестве примера, показано как некоторые фундаментальные постоянные связаны с универсальными суперконстантами. Для основных констант эти функциональные зависимости оказались следующими:

элементарный заряд: e = f (h u , l u , t u );
масса электрона: m e = f (h u , l u , t u );
постоянная Ридберга: R ∞ = f (l u , α, π);
гравитационная постоянная: G = f (h u , l u , t u , α, π);
отношение масс протона-электрона: m p /m e = f (α, π);
постоянная Хаббла: H = f (t u , α, π);
планковская масса: m pl = f (h u , l u , t u , α, π);
планковская длина: l pl = f (l u , α, π);
планковское время: t pl = f (t u , α, π);
квант магнитного потока: Ф 0 = f (h u , l u , t u , α, π);
магнетон Бора: μ B = f (h u , l u , t u , α,).

Как видим, между физическими константами существует глобальная связь на фундаментальном уровне. Из приведенных зависимостей видно, что наименее сложными являются константы h , c , R ∞ , m p /m e . Это указывает на то, что эти постоянные наиболее близки к первичным константам, однако сами таковыми не являются. Как видим, константы, которые традиционно носят статус фундаментальных констант, не являются первичными и независимыми постоянными. К первичным и независимым можно отнести только суперконстанты вакуума. Подтверждением этому явилось то, что использование суперконстантного базиса позволило получить все основные фундаментальные физические константы расчетным путем . То, что известные сегодня фундаментальные физические константы не имеют статуса первичных и независимых постоянных, а на их основе пытались построить физические теории, и явилось причиной многих проблем физики. Фундаментальные теории невозможно построить на вторичных константах.

Размерные суперконстанты h u , l u , t u определяют физические свойства пространства-времени. Суперконстанты πи α определяют геометрические свойства пространства-времени. Таким образом, подтверждается подход А. Пуанкаре, согласно которому утверждается дополнительность физики и геометрии . Согласно этому подходу в реальных экспериментах мы всегда наблюдаем некую «сумму» физики и геометрии . Группа универсальных суперконстант своим составом подтверждает это.

4. Новое значение константы G

Зависимость константы G от первичных суперконстант указывает на то, что эту важнейшую постоянную можно получить посредством математических расчетов. Как известно, сама форма закона всемирного тяготения Ньютона – прямая пропорциональность силы массам и обратная пропорциональность квадрату расстояния, проверена с гораздо большей точностью, чем точность определения гравитационной постоянной G . Поэтому, основное ограничение на точное определение гравитационных сил накладывает константа G . Кроме того, со времен Ньютона остается открытым вопрос о природе гравитации и о сущности самой гравитационной постоянной G . Эта константа определена экспериментально. Науке пока неизвестно существует ли аналитическое соотношение для определения гравитационной константы. Науке также не была известна связь между постоянной G и другими фундаментальными физическими константами. В теоретической физике эту важнейшую постоянную пытаются использовать совместно с постоянной Планка и скоростью света для создания квантовой теории гравитации и для разработки единых теорий. Поэтому, вопросы о первичности и независимости константы G , а также необходимость знать ее точное значение, выходят на первый план.

Численное значение G было определено впервые английским физиком Г. Кавендишем в 1798 г. на крутильных весах путем измерения силы притяжения между двумя шарами.

Современное значение константы G , рекомендуемое CODATA 1998 :

G = 6,673(10)·10 –11 м 3 кг –1 с –2 .

Из всех универсальных физических постоянных точность в определении G является самой низкой. Среднеквадратическая погрешность для G на несколько порядков превышает погрешность других констант.

Совершенно неожиданным оказалось то, что G может быть выражена посредством электромагнитных констант. Это становится важным, так как точность констант электромагнетизма намного больше точности постоянной G .

Открытая группа универсальных суперконстант, имеющих первичный статус, и выявленная глобальная связь фундаментальных констант позволили получить математические формулы для вычисления гравитационной постоянной G . Таких формул оказалось несколько. В качестве подтверждения этому, ниже приведены 9 эквивалентных формул:

Из приведенных формул видно, что константа G выражается с помощью других фундаментальных констант очень компактными и красивыми соотношениями. При этом, все формулы для гравитационной константы сохраняют когерентность. В числе физических постоянных, с помощью которых представлена гравитационная константа, находятся такие константы как фундаментальный квант h u , скорость света c , постоянная тонкой структуры α, постоянная Планка h , число π, фундаментальная метрика пространства-времени (l u , t u ), элементарная масса m e , элементарный заряд e , большое число Дирака D 0 , энергия покоя электрона E e , планковскиеединицы длины l pl , массы m pl , времени t pl , постоянная Хаббла H , константа Ридберга R ∞ . Это указывает на единую сущность электромагнетизма и гравитации и на наличие фундаментального единства у всех физических констант. Из приведенных формул видно, что связь между электромагнетизмом и гравитацией действительно существует и проявляется даже на уровне гравитационной константы G .

Теперь, по прошествии 200 лет после первого измерения G , появилась возможность на основе полученных формул вычислить ее точное значение, используя константы электромагнетизма. Поскольку точность в определении констант электромагнетизма высокая, то точность гравитационной постоянной можно приблизить к точности электромагнитных констант. Все приведенные выше формулы дают новое значение G , которое по точности почти на пять порядков (!) выше известного на сегодня значения. Новое значение G вместо четырех цифр содержит 9 цифр :

G = 6,67286742(94)·10 –11 м 3 кг –1 с –2 .

С помощью универсальных суперконстант удалось получить новые формулы для планковских констант :

На основе этих формул получены новые значения планковских констант:

m pl = 2,17666772(25)·10 –8 кг.

l pl = 1,616081388(51)·10 –35 м.

t pl = 5,39066726(17)·10 –44 с.

Эти новые значения планковских констант по точности почти на пять порядков точнее известных на сегодня значений .

Универсальные суперконстанты позволили получить новое точное значение параметра Хаббла:

H = 53,98561(87) (км/с)/Мпс.

5. Фундаментальная константа силы

Особенности констант физического вакуума привели к выводу, что силы взаимодействия также должны выражаться через константы вакуума. Покажем это. Из закона Кулона для взаимодействующих элементарных зарядов следует:

F = e 2 /l 2 .

На основании формулы (8) представим это соотношение следующим образом:

F = h u c /l 2 = h u ν 2 /c .

Значение h u /c с учетом формулы (3) будет равно G u . Исходя из этого, получим соотношение для закона универсального взаимодействия :

F = G u ·ν 2 .

Для предельного значения метрики из закона универсального взаимодействия получим следующее соотношение для константы силы:

F u = h u /l u t u .

Эта новая физическая константа названа фундаментальной константой силы . Ее значение равно:

F u = 29,0535047(31) Н.

Она является универсальной константой силы для всех известных на сегодня видов взаимодействий. Как показано в , эта константа присутствует не только в законе Кулона, но и в законах Ньютона, в законе Галилея, в законе Ампера и в законе всемирного тяготения.

6. Универсальная формула силы

Поиск единого взаимодействия, сводящего воедино четыре фундаментальных взаимодействия, – одна из сложнейших нерешенных задач физики. Современные попытки объединения сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного взаимодействий основаны на поиске условий, при которых константы взаимодействий совпадают по своим величинам. Считается, если существует такая единая константа, то объединение взаимодействий возможно. Однако такой подход пока не привел к обнадеживающим результатам. Не раскрыта взаимосвязь четырех фундаментальных взаимодействий, не ясны истоки их появления.

Я считаю, что решение проблемы единого взаимодействия нужно искать на другом направлении.

Вместо поиска условий, при которых константы взаимодействий могут совпадать, целесообразно исследовать генезис фундаментальных взаимодействий и вести поиск новой константы единого взаимодействия . Есть все основания полагать, что такая константа существует. Единство фундаментальных физических констант указывает на существование единства у электромагнитных и гравитационных сил. В частности, к решению этой проблемы может подтолкнуть выяснение следующего вопроса. Почему так схожи по своему виду формулы законов Кулона и всемирного тяготения Ньютона? Столь разные взаимодействия оказались такими похожими в математическом представлении формулы силы. В одном – заряды, в другом – массы, но формулы одинаковы. Что скрывается за этим поразительным сходством? Есть несколько путей решения этой проблемы. Первый путь состоит в том, чтобы выяснить какая существует связь между массой и зарядом. Практически это означает, что необходимо вести поиск ответа на вопрос: существует ли электромагнитная масса и что это такое? Второй путь состоит в выяснении сущности гравитационной константы G . Возможно, что и в ней скрыта связь между электричеством и гравитацией. Третий путь основан на предположении о том, что и закон Кулона, и закон Ньютона являются фрагментами какого-то универсального фундаментального закона силы. Если это сходство не случайно, то должен существовать единый закон силы, который лишь проявляется для электричества как закон Кулона, а для гравитации – как закон Ньютона. Как показано в единый закон силы действительно существует. Закон Кулона и законы Ньютона действительно являются его частными проявлениями. Используя универсальные суперконстанты, у нас представилась возможность не просто выявить сходство в форме записи у этих законов, а установить их связь на фундаментальном уровне. На основе суперконстант удалось получить новую формулу силы, которая названа универсальной формулой силы . Она имеет следующий вид:

F = (h u /l u ·t u )·(N 1 ·N 2 /N 3 2).

В универсальную формулу силы входят суперконстанты h u , l u , t u и безразмерные коэффициенты N 1 , N 2 , N 3 . Коэффициенты N 1 и N 2 единым образом представляют или отношения взаимодействующих масс к элементарной массе, или отношение зарядов к элементарным зарядам, или отношение токов к элементарному току. Коэффициент N 3 представляет собой отношение длины к фундаментальному кванту длины. Универсальная формула силы превращается в формулу F = ma при N 1 = m /m e , N 2 = 1/l u , N 3 = 1/l u :

F = (h u /l u t u ) (N 1 ·N 2 /N 3 2) = ma .

Универсальная формула силы превращается в формулу закона Кулона при N 1 = q 1 /e , N 2 = q 2 /e , N 3 = 1/l u :

F = (h u /l u ·t u ) (N 1 ·N 2 /N 3 2) = q 1 q 2 /l 2 .

В универсальной формуле силы первый сомножитель представляет собой новую физическую константу, имеющую размерность силы. Это есть фундаментальная константа силы F u , полученная выше.

Соотношение для этой константы определяется исключительно размерными суперконстантами вакуума.

При N 1 = m 1 /me , N 2 = m 2 /m e , N 3 = 1/l u и при замене фундаментального кванта действия h u на гравитационный квант действия h g = h u /D 0 универсальная формула силы превращается в следующую формулу:

F = (h g /l u ·t u )(N 1 ·N 2 /N 3 2) = (h u ·l u /t u ·m e 2 D 0)·(m 1 ·m 2 /l 2).

Комбинация констант в первом сомножителе в правой части соотношения в точности совпадает с формулой для вычисления гравитационной константы G :

h u ·l u /t u ·m e 2 D 0 = G .

Таким образом, универсальная формула силы превращается в формулу закона всемирного тяготения:

F = (h g /l u ·t u )·(N 1 ·N 2 /N 3 2) = G ·m 1 ·m 2 /l 2 .

В этой формуле физическая константа, имеющая размерность силы, определяется аналогично фундаментальной константе силы. Соотношение для этой константы имеет вид:

F ug = h g /l u ·t u .

Ее значение равно 6,9731134·10 –42 ·Н.

Тот факт, что и законы механики, и закон гравитации, и закон электростатики выражаются единой формулой – универсальной формулой силы, указывает на единую природу всех взаимодействий. На рис. 1 схематически показана связь универсальной формулы силы с физическими законами. Такая связь выявлена с законом Ньютона, законом Галилея, законом Кулона и даже с законом Ампера для взаимодействующих проводников с током.

Рис.1. Связь универсальной формулы силы с физическими законами.

Исследования показали, что из универсальной формулы силы следуют два новых закона :

F = mb и F = G u ν 2 .

Формула F = mb определяет связь силы с дефектом массы. Константой в этой формуле является фундаментальное ускорение b = 3,189404629(36)·10 31 м/с 2 . Формула F = G u ν 2 представляет новое универсальное взаимодействие . Константой в этой формуле является новая физическая постояннаявакуума G u = 2,56696941(21)·10 –45 Н·с 2 . В показано, что из закона универсального взаимодействия непосредственно следуют и закон Кулона и закон всемирного тяготения Ньютона и закон Ампера.

По генетической связи все взаимодействия можно расположить в такой последовательности: универсальное, электромагнитное, сильное, слабое, гравитационное. Как видим, корни всех взаимодействий следует искать в универсальном взаимодействии. Это пятое взаимодействие характерно для физического вакуума и не связано с взаимодействием каких бы то ни было частиц, в том числе частиц вещества. В то же время, из него проистекают законы относящиеся к взаимодействиям частиц.

Универсальная формула силы показывает, что значения электрических, магнитных, механических и гравитационных сил зависят не столько от абсолютных значений масс, зарядов, токов и расстояний, сколько от их соотношения с фундаментальными константами – массой электрона, элементарным зарядом, элементарным током и фундаментальным квантом длины. Это указывает на необходимость нового подхода к пониманию сущности фундаментальных взаимодействий.

Таким образом, причина поразительного сходства формул в законах Кулона и всемирного тяготения Ньютона проистекает от фундаментального единства сил инерции, гравитации и электромагнетизма. Это единство сил удалось установить на основе выявленного фундаментального единства физических констант и найденных новых физических постоянных.

7. Выводы

Получены новые фундаментальные физические константы h u , G u , R u , t u , l u , относящиеся к физическому вакууму. Выявлена группа констант, которым определен специальный статус универсальных суперконстант. С помощью универсальных суперконстант, которые являются константами вакуума, можно представить все законы и формулы классической и квантовой физики, а также все фундаментальные константы, в том числе постоянную Планка h и гравитационную постоянную G . Группа, состоящая из пяти универсальных суперконстант h u , t u , l u , π, α, позволяет описывать физические законы, относящиеся как к полю, так и к веществу. Известные на сегодня фундаментальные физические постоянные имеют вторичный статус по отношению к найденным универсальным суперконстантам вакуума. Открытие группы из пяти независимых универсальных суперконстант, которых совершенно достаточно для получения других физических констант, указывает на глубокую взаимосвязь констант различной природы. Найденные новые фундаментальные константы открывают перспективное направление для выявления новых физических законов и для поиска новых констант взаимодействий.

Литература

Peter J. Mohr and Barry N. Taylor. «CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 1998»; NIST Physics Laboratory . Constants in the category «All constants»; Reviews of Modern Physics, (2000), v. 72, No. 2.
D.C. Cole and H.E. Puthoff, «Extracting Energy and Heat from the Vacuum», Phys. Rev. E, v. 48, No. 2, 1993.
Ю.И. Манин. Математика и физика. М.: «Знание», 1979.
В.Л. Гинзбург. «Какие области физики и астрофизики представляются важными и интересными». УФН, №4, т. 169, 1999.
Н.В. Косинов. «Электродинамика физического вакуума». Физический вакуум и природа, №1, 1999.
Н.В. Косинов. «Физический вакуум и гравитация». Физический вакуум и природа, №4, 2000.
Н.В. Косинов. «Законы унитронной теории физического вакуума и новые фундаментальные физические константы». Физический вакуум и природа, №3, 2000.
N. Kosinov. «Five Fundamental Constants of Vacuum, Lying in the Base of all Physical Laws, Constants and Formulas». Physical Vacuum and Nature, №4, 2000.
Н.В. Косинов. «Пять универсальных физических констант, лежащих в основе всех фундаментальных rонстант, законов и формул физики». Шестая Международная конференция «Современные проблемы естествознания». Программа и тезисы. С-Петербург, август, 2000 г.
Н.В. Косинов. «Разгадка причин поразительного сходства формул законов Кулона и всемирного тяготения Ньютона». Шестая Международная конференция «Современные проблемы естествознания». Программа и тезисы. С-Петербург, август, 2000 г.
Н.В. Косинов. «Эманация вещества вакуумом и проблема структурогенеза». Идея, №2, 1994.
Н.В. Косинов. «Энергия вакуума». Энергия будущего века, №1, 1998.
Н.В. Косинов. «Универсальные физические суперконстанты».
Н.В. Косинов. «Новая фундаментальная физическая константа, лежащая в основе постоянной Планка».
N.V. Kosinov, Z.N. Kosinova. «Tie of Gravitational Constant G and Planck Constant h ». 51 st International Astronautical Congress 2...6 Oct. 2000 / Rio de Janeiro, Brazil.
A. Пуанкаре. Наука и гипотеза. A. Пуанкаре. О науке. М., 1983.
В.А. Фирсов. «Философско-методологический анализ проблемы единства физики в концепции калибровочных полей». Философия науки, №1(3), 1997.

Полезно разобраться какие вообще постоянные фундаментальны. Вот есть, например, скорость света. Фундаментален сам факт что она конечна, а не ее значение. В том смысле что мы так определили расстояние и время что она такая. В других единицах она была бы другой.

А что же тогда фундаментально? Безразмерные отношения и характерные силы взаимодействия, которые описываются безразмерными константами взаимодействия. Грубо говоря, константы взаимодействия характеризуют вероятность какого-то процесса. Например, электромагнитная константа характеризует с какой вероятностью электрон рассеется на протоне.

Посмотрим как можно логически построить размерные величины. Можно ввести отношение масс протона и электрона и конкретную константу электромагнитного взаимодействия. В нашей Вселенной появятся атомы. Можно взять конкретный атомный переход и взять частоту излученного света и все мерить в периоде колебаний света. Вот определилась единица времени. Свет за это время пролетит какое-то расстояние, вот получилась единица расстояния. Фотон с такой частотой обладает какой-то энергией, получилась единица энергии. А дальше сила электромагнитного взаимодействия такова, что размер атома столько-то в наших новых единицах. Мы меряем расстояние как отношение времени пролета света через атом к периоду колебаний. Эта величина зависит только от силы взаимодействия. Если теперь определить скорость света как отношение размеров атома к периоду колебаний, мы получим число, но оно не фундаментально. Секунда и метр - характерные масштабы времени и расстояний для нас. В них мы меряем скорость света, но ее конкретное значение физического смысла не несет.

Мысленный эксперимент, пусть есть другая вселенная, где метр ровно в два раза больше нашего, но все фундаментальные постоянные и отношения те же. Тогда для распространения взаимодействий потребуется в два раза больше времени, и существа, похожие на людей, будут воспринимать секунду в два раза медленнее. Они, разумеется, это никак не почувствуют. Когда они померяют скорость света, они получат то же значение, что и мы. Потому что меряют в своих характерных метрах и секундах.

Поэтому физики не придают фундаментального значения тому что скорость света 300 000 км/с. А константе электромагнитного взаимодействия, так называемой постоянной тонкой структуры (она равна примерно 1/137) придают.

Более того, конечно же константы фундаментальных взаимодействий (электромагнетизма, сильных и слабых взаимодействий, гравитации), связанные с соответствующими процессами, зависят от энергий этих процессов. Электромагнитное взаимодействие на масштабе энергий порядка массы электрона одно, а на масштабе порядка массы бозона Хиггса другое, выше. Сила электромагнитного взаимодействия растет с энергией. Но то, как константы взаимодействий меняются с энергией можно вычислить, зная какие частицы у нас есть и какие у них соотношения свойств.

Поэтому чтобы полностью описать фундаментальные взаимодействия на нашем уровне понимания достаточно знать какой набор частиц у нас есть, соотношения масс элементарных частиц, константы взаимодействия на каком-то одном масштабе, например, на масштабе массы электрона, и соотношения сил, с которыми каждая конкретная частица взаимодействует данным взаимодействием, в электромагнитном случае это соответствует соотношению зарядов (заряд протона равен заряду электрона, потому что сила взаимодействия электрона с электроном совпадает с силой взаимодействия электрона с протоном, если бы он был в два раза больше, то и сила была бы в два раза больше, сила меряется, повторюсь, в безразмерных вероятностях). Вопрос сводится к тому почему они такие.

Тут все непонятно. Некоторые ученые верят, что появится более фундаментальная теория из которой будет следовать как соотносятся массы, заряды и прочее. На последнее в каком-то смысле отвечают теории великого объединения. Некоторые же верят, что действует антропный принцип. То есть если бы фундаментальные постоянные были другими, нас бы в такой вселенной просто бы не было.

Главная » Для начинающих » Фундаментальные физические константы. Константа взаимодействия Israel безразмерные константы атома