Физики утверждают, что всей Вселенной важна только одна константа — время

Фото из открытых источников

Так называемые «константы» Вселенной - это физические величины, которые невозможно вывести теоретически, и их необходимо получить экспериментальным путём. Классические примеры включают скорость света, постоянную Планка и постоянную тонкой структуры (последняя сбивает людей с толку больше всего ). Новое исследование опубликовано в журнале Nature Scientific Reports.

«Состояния Вселенной можно описать через ее «фундаментальные константы» — фиксированные величины в природе, такие как гравитационная постоянная (называемая G) или скорость света (называемая C)», — объясняет Мартин Рис, почетный профессор космологии и астрофизики Кембриджского университета. «Их существует около 30, представляющих величины и значения таких параметров, как массы частиц, силы или расширение Вселенной. Но наши теории не объясняют, какие значения должны иметь эти константы. Вместо этого мы должны измерять их и подставлять их значения в наши уравнения, чтобы точно описывать природу».

Физики работали над установлением точных значений этих констант и их взаимосвязей, причём некоторые из них измеряются точнее других. В Международной системе единиц (МСЕ) сейчас используется семь основных единиц (секунды, метры, килограммы, амперы, кельвины, моли и канделы). Но сколько этих констант нам нужно, чтобы описать окружающую нас Вселенную? Согласно недавней работе, ответ только один: время.

Эта статья является последним результатом беседы, состоявшейся в кафетерии ЦЕРНа в 1992 году. Там три физика (Майкл Дж. Дафф, Лев Б. Окун и Габриэле Венециано) пришли к выводу, что не могут прийти к единому мнению о том, сколько констант необходимо для описания Вселенной. Это обсуждение привело к появлению трёх статей в 2002 году с тремя различными предложениями: три константы, две константы и нулевая константа. В статье Окуна утверждалось, что для измерения всех физических величин Вселенной необходимы три основные единицы: длина, масса и время. Венециано утверждал, что достаточно двух: длины и времени, в то время как Дафф считал, что количество констант варьируется в зависимости от теоретической модели.

«Цель — найти максимально возможное фундаментальное описание физики», — пояснил в заявлении Джордж Матсас, ведущий автор новой статьи . «Вопрос, поднятый Окуном, Даффом и Венециано, отнюдь не тривиален. Как физики, мы столкнулись с необходимостью понять, какое минимальное количество стандартов нам необходимо для измерения всего».

В недавней статье группа попыталась вычислить, сколько констант необходимо для описания двух различных типов пространства-времени. Это галилеевская версия, используемая Исааком Ньютоном, и пространство-время Минковского — релятивистское пространственно-временное решение уравнений Эйнштейна.

В галилеевом пространстве-времени, до того, как всё стало запутанным, пространство и время были различимы и отделены друг от друга. Время абсолютно и согласуется со всеми наблюдателями, а расстояния не зависят от времени, и одно не может быть выведено из другого. Авторы объясняют, что другие единицы, например, масса, могут быть определены только с помощью этих двух констант.

Рассматривая пространство-время Минковского, которое, по мнению авторов, можно применить к релятивистскому пространству-времени в целом, они обнаружили, что для этого даже не нужна длина.

«В галилеевом пространстве-времени для измерения всех физических величин нужны линейки и часы. Однако в релятивистском пространстве-времени часов достаточно», — пояснил Матсас. «Это связано с тем, что в теории относительности пространство и время настолько взаимосвязаны, что для описания всех величин достаточно одной единицы. Высокоточные часы, такие как используемые сегодня атомные часы, способны удовлетворить все потребности в измерениях».

Чтобы избавиться от длины, команда использует эксперимент с часами, впервые предложенный канадским физиком Биллом Унру. В пространстве-времени Минковского пространство и время не являются независимыми друг от друга, а это означает, что одно может быть выведено из другого. В эксперименте с тремя часами два наблюдателя помещаются на разных концах стержня, который вы хотите измерить. У одного двое часов, у другого одни. Наблюдатель с двумя синхронизированными часами посылает их по стержню второму наблюдателю, который затем синхронизирует свои часы с полученными часами в конце их пути. Затем он посылает часы обратно первому наблюдателю. Помните, что в релятивистском пространстве-времени время изменяется под действием вашей скорости. Используя эти измерения времени, можно определить длину без ссылки на какую-либо другую константу (например, скорость света).

Подводя итог, группа предполагает, что любая единица фактически может быть измерена в терминах одной константы — секунды , которая в настоящее время определяется как «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

Хотя это интересно и интригующе, не ожидайте, что другие константы исчезнут, поскольку они по-прежнему полезны и удобны в использовании.

«Исторически, в соответствии со стандартизацией, принятой во время Французской революции (1789–1799), килограмм определялся как масса одного литра чистой воды при заданном давлении и температуре. С практической точки зрения, иметь эталон массы очень удобно, но с фундаментальной точки зрения это необязательно», — добавил Даниэль Ванцелла из Института физики Сан-Карлоса при Университете Сан-Паулу. «Масса тела определяется ускорением, с которым частица притягивается к массе, находясь на определённом расстоянии от неё».