Все наблюдаемые величины в природе можно измерить с помощью одной константы

Группа бразильских исследователей представила инновационное предложение, призванное разрешить многолетний спор среди физиков-теоретиков: сколько фундаментальных констант необходимо для описания наблюдаемой Вселенной? Здесь термин «фундаментальные константы» относится к основным стандартам, необходимым для измерения всего.

В исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, приняли участие Джордж Матсас и Висенте Плейтес из Института теоретической физики Государственного университета Сан-Паулу (IFT-UNESP), а также Альберто Саа из Института математики, статистики и научных вычислений Государственного университета Кампинаса (IMECC-UNICAMP) и Даниэль Ванцелла из Института физики Сан-Карлоса при Университете Сан-Паулу (IFSC-USP).

Группа ученых утверждает, что число фундаментальных констант зависит от типа пространства-времени, в котором сформулированы теории; и что в релятивистском пространстве-времени это число можно свести к одной константе, которая используется для определения стандарта времени. Исследование является оригинальным вкладом в спор, разгоревшийся в 2002 году из-за известной статьи Майкла Даффа, Льва Окуня и Габриэле Венециано, опубликованной в журнале Journal of High Energy Physics.

Вся эта история началась десятью годами ранее, летом 1992 года, когда трое ученых встретились на террасе кафетерия ЦЕРНа, Европейской организации ядерных исследований. В ходе неформальной беседы они обнаружили, что расходятся во мнениях относительно числа фундаментальных констант.

«Летом 2001 года мы вернулись к этой теме и обнаружили, что наши мнения по-прежнему различаются. Поэтому мы решили объяснить свои позиции», — пишут трое ученых в аннотации к своей статье.

Лев Окунь заявил, что три основные единицы — метр (длина), килограмм (масса) и секунда (время) — необходимы для измерения всех физических величин. Другими словами, он подтвердил так называемую систему MKS (M — метр; K — килограмм; S — секунда), которая позже была включена в Международную систему единиц (СИ).

Габриэле Венециано, со своей стороны, утверждал, что в определенных контекстах будет достаточно двух единиц: одной для времени и одной для длины. Майкл Дафф был двусмыслен, заявляя, что количество констант может варьироваться в зависимости от рассматриваемой теории.

Любой артефакт, способный регулярно подсчитывать 9 192 631 770 колебаний излучения цезия-133, будет иметь показатель 1с и может считаться честными часами. Джордж Матсас

Объясняя новую статью, Джордж Матсас говорит: «Цель состоит в том, чтобы найти наиболее фундаментальное описание физики из возможных. Вопрос, поднятый Окунем, Даффом и Венециано, отнюдь не тривиален. Как физики, мы сталкиваемся с необходимостью понять, какое минимальное количество стандартов нам нужно, чтобы измерить все».

Бразильские исследователи утверждают, что число фундаментальных констант зависит от пространства-времени, в котором рассматриваются физические величины. Они анализируют два типа пространства-времени: галилеевское, на котором Исаак Ньютон (1642-1727) построил классическую механику; и релятивистское, которое является основой общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1879-1955).

Существует несколько релятивистских пространств-времен, соответствующих различным решениям уравнений Эйнштейна. Простейшим из них является пространство-время Минковского, названное в честь математика Германа Минковского (1864-1909). Это пространство-время, которое является пустым (свободным от частиц и всего остального), однородным (в котором все точки имеют одинаковые свойства) и изотропным (в котором все пространственные направления эквивалентны). Для простоты в рассматриваемой статье используется пространство-время Минковского. Однако авторы отмечают, что их выводы могут быть обобщены на любое релятивистское пространство-время.

«В галилеевом пространстве-времени вам нужны линейки и часы, чтобы измерить все физические переменные. Однако в релятивистском пространстве-времени часов достаточно. Это происходит потому, что в теории относительности пространство и время настолько взаимосвязаны, что для описания всех величин достаточно одной единицы. Высокоточные часы, такие как атомные часы, используемые сегодня, способны удовлетворить все потребности в измерениях», — говорит Джордж Матсас.

Как видно из предыдущего предложения, даже в галилеевом пространстве-времени уже возможно упрощение фундаментальных величин, исключающее массу.

«Исторически, на основе стандартизации, принятой во время Французской революции (1789-1799), килограмм определялся как масса одного литра чистой воды при заданном давлении и температуре. С практической точки зрения очень удобно иметь стандарт массы, но с фундаментальной точки зрения это не обязательно», — говорит Даниэль Ванцелла. «Масса тела определяется ускорением, с которым частица притягивается, когда она находится на определенном расстоянии от массы».

В своей текущей версии Международная система единиц (СИ) использует семь основных единиц: метр (длина), секунда (время), килограмм (масса), кельвин (температура), ампер (электрический ток), кандела (сила света) и моль (количество молекул или атомов).

«Но эти единицы являются базовыми только потому, что служат практическим целям. Например, если кому-то нужно купить лампочку, число кандел подскажет ему, какую интенсивность света должна обеспечивать лампочка. Однако давно известно, что эти единицы имеют избыточность. То есть многие из них можно определить на основе других. После обзора, проведенного в 2019 году, эти единицы теперь связаны с константами природы, такими как скорость света [c] и постоянная Планка [h]», — говорит Джордж Матсас.

Согласно критериям, используемым Даффом, Окунем и Венециано, число фундаментальных констант связано с минимальным количеством независимых стандартов, необходимых для выражения всех физических величин. Повторим, что в пространстве-времени Галилея все наблюдаемые величины могут быть выражены в единицах времени и пространства, которыми обычно являются «секунда» и «метр». В релятивистском пространстве-времени единица времени — то есть «секунда» — достаточна для выражения любой наблюдаемой величины.

А определение «секунды» в настоящее время основано на естественной константе: разности энергий между двумя определенными уровнями электронного слоя цезия-133. Одна секунда (1с) соответствует времени 9 192 631 770 колебаний излучения, испускаемого при прохождении электрона между этими двумя состояниями цезия-133.

«Любой артефакт, способный регулярно подсчитывать 9 192 631 770 колебаний этого излучения, будет иметь показатель 1с и может считаться честными часами», — объясняет Джордж Матсас.

То есть, в релятивистском пространстве-времени (которое является пространством-временем, в котором рассматриваемое исследование рассматривает нас как живущих) любая физическая величина может быть измерена в терминах «секунды», которая является единицей времени. Время является переменной величиной, поскольку оно постоянно меняется, но «секунда» определяется константой, связанной с определенным уровнем энергии в электронном слое атома цезия-133.

«Вердикт о том, является ли наблюдаемая величина константой природы или нет, является абсолютным, поскольку он провозглашается честными часами, которые должны существовать для того, чтобы само понятие пространства-времени имело смысл. Но выбор того, какая «фундаментальная константа» используется для их определения, является социальной и исторической конструкцией, которая зависит от удобства», — комментирует Даниэль Ванцелла.

Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.