Israel безрозмірні константи атома. Константа взаємодії. Константи в інших теоріях

Який неймовірно дивний був би світ, якби фізичні константи могли змінюватися! Наприклад, так звана стала тонкої структури приблизно дорівнює 1/137. Якби вона мала іншу величину, то між речовиною та енергією, можливо, не було б жодної різниці.

Є речі, які ніколи не змінюються. Вчені називають їх фізичними константами, чи світовими постійними. Вважається, що швидкість світла $c$, гравітаційна стала $G$, маса електрона $m_e$ і деякі інші величини завжди і скрізь залишаються незмінними. Вони утворюють основу, де грунтуються фізичні теорії, і визначають структуру Всесвіту.

Фізики докладають чимало зусиль, щоб виміряти світові постійні з дедалі вищою точністю, але нікому ще вдалося хоч якось пояснити, чому їх значення саме такі, які є. У системі СІ $c = 299792458$ м/с, $G = 6,673\cdot 10^(–11)Н\cdot$м$^2$/кг$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^( –31)$ кг – зовсім пов'язані між собою величини, які мають лише одне загальне властивість: змінися вони хоч трохи, і існування складних атомних структур, зокрема живих організмів, виявиться під великим питанням. Прагнення обґрунтувати значення констант стало одним із стимулів до розробки єдиної теорії, що повністю описує всі існуючі явища. З її допомогою вчені сподівалися показати, що кожна світова постійна може мати лише одне можливе значення, обумовлене внутрішніми механізмами, які визначають оманливу довільність природи.

Кращим кандидатом на звання єдиної теорії вважається М-теорія (варіант теорії струн), яку можна вважати заможною в тому випадку, якщо Всесвіт має не чотири просторово-часові виміри, а одинадцять. Отже, постійні, що спостерігаються нами, фактично можуть і не бути дійсно фундаментальними. Справжні константи існують у повному багатовимірному просторі, а бачимо лише їхні тривимірні «силуети».

ОГЛЯД: СВІТОВІ КОНСТАНТИ

1. У багатьох фізичних рівняннях зустрічаються величини, які вважаються незмінними усюди – у просторі та часі.

2. Останнім часом вчені сумніваються у сталості світових констант. Порівнюючи результати спостережень квазарів і лабораторних вимірів, вони роблять висновок, що хімічні елементи у минулому поглинали світло негаразд, як сьогодні. Відмінність можна пояснити зміною кілька мільйонних часток постійної тонкої структури.

3. Підтвердження навіть такої малої зміни стане справжнім переворотом у науці. Спостерігаючі константи можуть виявитися лише «силуетами» справжніх постійних, що існують у багатовимірному просторі-часі.

Тим часом фізики дійшли висновку, що величини багатьох постійних можуть бути результатом випадкових подій та взаємодій між елементарними частинками на ранніх стадіях історії Всесвіту. Теорія струн допускає існування величезної кількості ($10^(500)$) світів з різними самоузгодженими наборами законів та констант ( див. «Пейзаж теорії струн», «Світ науки», №12, 2004 р.). Поки що вчені поняття не мають, чому було відібрано нашу комбінацію. Можливо, в результаті подальших досліджень кількість логічно можливих світів знизиться до одного, але не виключено, що наш Всесвіт – це лише невелика ділянка мультивсесвіту, в якій реалізовані різні рішення рівнянь єдиної теорії, а ми спостерігаємо просто один із варіантів законів природи ( див. «Паралельні Всесвіти», «У світі науки», №8, 2003 р.).У такому разі для багатьох світових констант немає жодного пояснення, крім того, що вони становлять рідкісну комбінацію, що допускає розвиток свідомості. Можливо, спостережуваний нами Всесвіт став одним із багатьох ізольованих оаз, оточених нескінченністю неживого космічного простору – сюрреалістичного місця, де панують зовсім чужі нам сили природи, а частинки типу електронів і структури типу атомів вуглецю та молекул ДНК просто неможливі. Спроба потрапити туди обернулася б неминучою загибеллю.

Теорія струн була розроблена в тому числі і для того, щоб пояснити довільність фізичних постійних, тому в її основних рівняннях міститься всього кілька довільних параметрів. Але поки вона не пояснює значення констант, що спостерігаються.

Надійна лінійка

Насправді вживання слова "постійна" не зовсім правомірне. Наші константи могли б змінюватися в часі та просторі. Якби додаткові просторові виміри змінювалися у розмірі, константи у нашому тривимірному світі змінювалися б разом із ними. І якби ми заглянули досить далеко у простір, то могли б побачити області, де константи набули інших значень. Починаючи з 1930-х років. вчені міркували у тому, що константи можуть і бути постійними. Теорія струн надає цій ідеї теоретичну правдоподібність і робить тим важливішим пошук непостійності.

Перша проблема полягає в тому, що сама лабораторна установка може бути чутливою до змін констант. Розміри всіх атомів могли б зрости, але якби лінійка, яку використовують для вимірювань, теж стала б довшою, нічого не можна було б сказати про зміну розмірів атомів. Експериментатори зазвичай припускають, що зразки величин (лінійки, гирі, годинник) незмінні, але цього неможливо досягти під час перевірки констант. Дослідники повинні звернути увагу на безрозмірні константи – просто числа, які не залежать від системи одиниць виміру, наприклад, відношення маси протона до маси електрона.

Чи змінюється внутрішня будова світобудови?

Особливий інтерес представляє величина $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, що поєднує швидкість світла $c$, електричний заряд електрона $e$, постійну Планка $h$ і так звану постійну діелектричну вакууму $\epsilon_0$. Її називають постійною тонкою структурою. Вперше вона була введена в 1916 р. Арнольдом Зоммерфельдом, який одним із перших спробував застосувати квантову механіку до електромагнетизму: $\alpha$ пов'язує релятивістську (c) і квантову (h) характеристики електромагнітних (e) взаємодій, в яких беруть участь заряджені частки просторі ($\epsilon_0$). Вимірювання показали, що ця величина дорівнює 1/137,03599976 (приблизно 1/137).

Якби $\alpha$ мала інше значення, то змінився б весь світ. Якби вона була меншою, щільність твердої речовини, що складається з атомів, зменшилася б (пропорційно $\alpha^3$), молекулярні зв'язки розривалися б при нижчих температурах ($\alpha^2$), а кількість стійких елементів у таблиці Менделєєва могла б зрости ($1/\alpha$). Виявися $\alpha$ занадто великий, малі атомні ядра не могли б існувати, тому що ядерні сили, що їх пов'язують, не змогли б перешкоджати взаємному відштовхуванню протонів. За $\alpha >0.1 $ було б існувати вуглець.

Ядерні реакції у зірках особливо чутливі до величини $ alfa $. Щоб міг відбуватися ядерний синтез, тяжіння зірки має створювати досить високу температуру, щоб змусити ядра зближуватися, незважаючи на їхню тенденцію відштовхуватися один від одного. Якби $\alpha$ перевищувала 0,1, то синтез був би неможливий (якщо, звичайно, інші параметри, наприклад, відношення мас електрона та протона залишилися колишніми). Зміна $\alpha$ всього на 4% настільки вплинула б на енергетичні рівні в ядрі вуглецю, що його виникнення в зірках просто припинилося б.

Використання ядерних методів

Друга, серйозніша, експериментальна проблема пов'язані з тим, що з вимірювання змін констант потрібно високоточне устаткування, що має бути надзвичайно стабільним. Навіть за допомогою атомного годинника дрейф постійної тонкої структури можна відстежувати протягом декількох років. Якби $\alpha $ змінювалася більше ніж на 4 $\cdot$ $10^(–15)$ за три роки, найточніший годинник дозволив би це виявити. Однак нічого подібного поки що зареєстровано не було. Здавалося б, що не підтвердження сталості? Але три роки для космосу – мить. Повільні, але суттєві зміни в історії Всесвіту можуть пройти непоміченими.

СВІТЛО І ПОСТОЯНА ТОНКОЇ СТРУКТУРИ

На щастя, фізики знайшли інші методи перевірки. У 1970-х роках. Вчені французької Комісії з ядерної енергії помітили деякі особливості в ізотопному складі руди з уранової шахти в Окло в Габоні (Західна Африка): вона нагадувала відходи ядерного реактора. Очевидно, приблизно 2 млрд. років тому в Окло утворився природний ядерний реактор. див. "Божественний реактор", "У світі науки", №1, 2004 р.).

У 1976 р. Олександр Шляхтер (Alexander Shlyakhter) із Ленінградського інституту ядерної фізики зауважив, що працездатність природних реакторів критично залежить від точної енергії певного стану ядра самарію, що забезпечує захоплення нейтронів. А сама енергія сильно пов'язана з величиною $ alfa $. Так, якби стала тонкою структурою була трохи інша, ніяка ланцюгова реакція, можливо, не відбулася б. Але вона справді відбувалася, а отже, за минулі 2 млрд. років постійна не змінилася більше, ніж на 1 $$10^(–8)$. (Фізики продовжують сперечатися про точні кількісні результати через неминучу невпевненість в умовах у природному реакторі.)

У 1962 р. Джеймс Піблс (P. James E. Peebles) і Роберт Дік (Robert Dicke) з Прінстонського університету першими застосували подібний аналіз до древніх метеоритів: відносна поширеність ізотопів, що є результатом їхнього радіоактивного розпаду, залежить від $ alpha $. Найчутливіше обмеження пов'язане з бета-розпадом при перетворенні ренію на осмій. Згідно з недавньою роботою Кейта Оліва (Keith Olive) з Міннесотського університету та Максима Поспелова (Maxim Pospelov) з Університету Вікторії в Британській Колумбії, у той час, коли формувалися метеорити, $\alpha$ відрізнялася від нинішнього значення на 2 $\cdot$ $10^ (-6) $. Цей результат менш точний, ніж дані, отримані в Окло, але він йде далі в глибину часів, до виникнення Сонячної системи 4,6 млрд років тому.

Щоб дослідити можливі зміни на ще довших проміжках часу, дослідники повинні звернути погляд до небес. Світло від віддалених астрономічних об'єктів йде до наших телескопів мільярди років і несе відбиток законів та світових констант тих часів, коли він лише розпочав свою подорож та взаємодію з речовиною.

Спектральні лінії

Астрономи вплуталися в історію з константами невдовзі після відкриття квазарів у 1965 р., які були щойно виявлені та ідентифіковані як яскраві джерела світла, розташовані на величезних відстанях від Землі. Оскільки шлях світла від квазара до нас настільки великий, він неминуче перетинає газоподібні околиці молодих галактик. Газ поглинає світло квазара на специфічних частотах, віддруковуючи штрих-код із вузьких ліній на його спектрі (див. урізання внизу).

ПОШУК ЗМІН У ВИПРОМІНЮВАННІ КВАЗАРУ

Коли газ поглинає світло, електрони, що містяться в атомах, перескакують з низьких енергетичних рівнів більш високі. Рівні енергії визначаються тим, наскільки атомне ядро ​​утримує електрони, що залежить від сили електромагнітної взаємодії між ними і, отже, від постійної тонкої структури. Якщо вона була іншою в той момент часу, коли світло було поглинене, або в якійсь конкретній області Всесвіту, де це відбувалося, то енергія, необхідна для переходу електрона на новий рівень, і довжини хвиль переходів, що спостерігаються в спектрах, повинні відрізнятися від спостерігаються сьогодні у лабораторних експериментах. Характер зміни довжин хвиль критично залежить від розподілу електронів на атомних орбітах. При заданій зміні $ \ alpha $ одні довжини хвиль зменшуються, інші - збільшуються. Складну картину ефектів важко переплутати з помилками калібрування даних, що робить такий експеримент надзвичайно корисним.

Починаючи сім років тому, ми зіткнулися з двома проблемами. По-перше, довжини хвиль багатьох спектральних ліній були виміряні з достатньою точністю. Як не дивно, про спектри квазарів, віддалені на мільярди світлових років, вчені знали набагато більше, ніж про спектри земних зразків. Нам потрібні були лабораторні виміри високої точності, щоб порівняти з ними спектри квазара, і ми переконали експериментаторів провести відповідні виміри. Вони були виконані Енн Торн (Anne Thorne) та Джульєт Пікерінг (Juliet Pickering) з Імперського коледжу в Лондоні, а потім групами на чолі зі Свенериком Йохансоном (Sveneric Johansson) з Лундської обсерваторії у Швеції, а також Ульфом Грісманном (Ulf Gries) Клінгом (Rainer Kling) з Національного інституту стандартів та технології у штаті Меріленд.

Друга проблема полягала в тому, що попередні спостерігачі використовували так звані лужні дублети – пари ліній поглинання, що виникають у атомарних газах вуглецю чи кремнію. Вони порівнювали інтервали між цими лініями у спектрах квазара з лабораторними вимірами. Однак такий метод не дозволяв використовувати одне специфічне явище: варіації $ alfa $ викликають не тільки зміна інтервалу між рівнями енергії атома щодо рівня з найнижчою енергією (основний стан), але і зміна положення самого основного стану. Фактично другий ефект навіть сильніший, ніж перший. У результаті точність спостережень становила лише 1 $\cdot$ $10^(–4)$.

У 1999 р. один із авторів статті (Веб) та Віктор Фламбаум (Victor V. Flambaum) з Університету Нового Південного Уельсу в Австралії розробили методику, що дозволяє брати до уваги обидва ефекти. В результаті чутливість вдалося збільшити у 10 разів. Крім того, з'явилася можливість порівнювати різні види атомів (наприклад, магній та залізо) та проводити додаткові перехресні перевірки. Довелося виконати складні розрахунки, щоб точно встановити, як довжини хвиль, що спостерігаються, змінюються в атомах різних типів. Озброївшись сучасними телескопами та датчиками, ми вирішили перевірити сталість $\alpha$ з безпрецедентною точністю за новим методом багатьох мультиплетів.

Перегляд поглядів

Приступаючи до експериментів, ми просто хотіли з більш високою точністю встановити, що величина постійної тонкої структури в давнину була такою самою, як сьогодні. На наш подив, результати, отримані в 1999 р., показали невеликі, але статистично суттєві відмінності, які згодом підтвердилися. Використовуючи дані по 128 лініях поглинання квазара, ми зареєстрували збільшення $ alpha $ на 6 $ cdot $ $ 10 ^ (-6) $ за минулі 6-12 млрд. років.

Результати вимірювань постійної тонкої структури не дозволяють зробити остаточні висновки. Деякі з них вказують, що колись вона була меншою, ніж зараз, а деякі – ні. Можливо, α змінювалась у далекому минулому, але тепер стала постійною. (Прямокутники зображують діапазон змін даних.)

Сміливі твердження вимагають заможних доказів, тому першим нашим кроком став ретельний перегляд методів збору даних та їх аналізу. Помилки виміру можна розділити на два типи: систематичні та випадкові. Зі випадковими неточностями все просто. У кожному окремому вимірі вони набувають різних значень, які за великої кількості вимірів усереднюються і прагнуть нуля. З систематичними помилками, що не усереднюються, боротися важче. В астрономії невизначеності такого роду трапляються на кожному кроці. У лабораторних експериментах налаштування приладів можна змінювати, щоб мінімізувати помилки, але астрономи не можуть «підлаштувати» Всесвіт, і їм доводиться визнавати, що всі їх методи збору даних містять непереборні зсуви. Наприклад, просторовий розподіл галактик, що спостерігається, помітно зміщений у бік яскравих галактик, тому що їх легше спостерігати. Ідентифікація та нейтралізація таких зсувів – постійне завдання для спостерігачів.

Спочатку ми звернули увагу на можливе спотворення масштабу довжин хвиль, щодо якого вимірювалися спектральні лінії квазара. Воно могло виникнути, наприклад, під час переробки «сирих» результатів спостереження квазарів у спектр, що калібрується. Хоча просте лінійне розтягування або стиснення масштабу довжини хвилі не могло точно імітувати зміну $\alpha$, навіть приблизної схожості було б достатньо для пояснення отриманих результатів. Поступово ми виключили прості помилки, пов'язані з спотвореннями, підставляючи замість результатів спостереження квазара калібрувальні дані.

Більше двох років ми розбиралися з різними причинами усунення, щоб переконатися, що їхній вплив знехтує мало. Ми виявили лише одне потенційне джерело серйозних помилок. Йдеться лініях поглинання магнію. Кожен із трьох стійких його ізотопів поглинає світло з різними довжинами хвиль, які дуже близькі один до одного та в спектрах квазарів видно як одна лінія. Виходячи з лабораторних вимірів відносної поширеності ізотопів, дослідники судять про внесок кожного з них. Їх розподіл у молодому Всесвіті міг би суттєво відрізнятися від сучасного, якби зірки, які випускали магній, у середньому були важчими, ніж їхні сьогоднішні аналоги. Такі відмінності могли б імітувати зміну $\alpha$.Але результати дослідження, опублікованого цього року, вказують, що факти, що спостерігаються, не так легко пояснити. Йеш Феннер (Yeshe Fenner) та Бред Гібсон (Brad K. Gibson) з Технологічного університету Суінберна в Австралії та Майкл Мерфі (Michael T. Murphy) з Кембриджського університету дійшли висновку, що поширеність ізотопів, необхідна для імітації зміни $\alpha$, приводила б також до надмірного синтезу азоту в ранньому Всесвіті, що зовсім не відповідає спостереженням. Таким чином, ми повинні змиритися з ймовірністю того, що $ \ alpha $ дійсно змінювалася.

Іноді ЗМІНЮЄТЬСЯ, Іноді – НІ

Згідно з гіпотезою, висунутою авторами статті, в одні періоди космічної історії постійна тонкої структури залишалася незмінною, а в інші – зростала. Експериментальні дані (див. попереднє врізання) узгоджуються з цим припущенням.

Наукове співтовариство відразу оцінило значення отриманих нами результатів. Дослідники спектрів квазарів всього світу відразу ж зайнялися вимірами. У 2003 р. науково-дослідні групи Сергія Левшакова (Sergei Levshakov) із Санкт-Петербурзького фізикотехнічного інституту ім. Іоффе та Ральфа Кваста (Ralf Quast) з Гамбурзького університету вивчили три нові системи квазарів. Минулого року Хам Чанд (Hum Chand) та Рагунатан Шрінанд (Raghunathan Srianand) з Міжуніверситетського центру астрономії та астрофізики в Індії, Патрік Птижан (Patrick Petitjean) з Інституту астрофізики та Бастьєн Арасіль (Bastien Aracil) з LERMA. Жодна з груп не виявила зміни $\alpha$. Чанд стверджує, що будь-яка зміна за інтервал від 6 до 10 млрд. років тому має бути меншою, ніж одна мільйонна.

Чому схожі методики, використані для аналізу різних вихідних даних, призвели до такої радикальної невідповідності? Відповідь поки невідома. Результати, отримані згаданими дослідниками, мають чудову якість, але обсяг їх вибірок та вік проаналізованого випромінювання значно менший, ніж у нас. До того ж Чанд використав спрощену версію багатомультиплетного методу та не проводив повної оцінки всіх експериментальних та систематичних помилок.

Відомий астрофізик Джон Бекол (John Bahcall) з Прінстона розкритикував сам багатомультиплетний метод, але проблеми, на які він звертає увагу, відносяться до категорії випадкових помилок, які зводяться до мінімуму при використанні великих вибірок. Бекол, а також Джефрі Ньюман (Jeffrey Newman) із Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі розглядали лінії випромінювання, а не поглинання. Їхній підхід набагато менш точний, хоча в майбутньому, можливо, виявиться корисним.

Законодавча реформа

Якщо наші результати виявляться правильними, наслідки будуть величезними. Донедавна всі спроби оцінити, що сталося б із Всесвітом, якби постійна тонка структура змінилася, були незадовільними. Вони не йшли далі розгляду $ \ alpha $ як змінної в тих же формулах, які були отримані у припущенні, що вона стала. Погодьтеся, дуже сумнівний підхід. Якщо $\alpha$ змінюється, то енергія та імпульс у пов'язаних з нею ефектах повинні зберігатися, що має впливати на гравітаційне поле у ​​Всесвіті. В 1982 Якоб Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) з Єврейського університету в Єрусалимі вперше узагальнив закони електромагнетизму для випадку непостійних констант. У його теорії $ alpha $ сприймається як динамічна компонента природи, тобто. як скалярне поле. Чотири роки тому один із нас (Берроу) разом із Хеуордом Сендвіком (Håvard Sandvik) та Хояо Магуейхо (João Magueijo) з Імперського коледжу в Лондоні розширили теорію Бекенштейна, включивши до неї облік сил тяжіння.

Пророцтва узагальненої теорії привабливо прості. Оскільки електромагнетизм у космічних масштабах набагато слабший за гравітацію, зміни $\alpha$ на кілька мільйонних не надають на розширення Всесвіту помітного впливу. А ось розширення суттєво впливає на $alpha$ за рахунок невідповідності між енергіями електричного та магнітного полів. Протягом перших десятків тисяч років космічної історії випромінювання домінувало над зарядженими частинками та підтримувало баланс між електричним та магнітним полями. У міру розширення Всесвіту випромінювання розріджувалося, і домінуючим елементом космосу стала речовина. Електричні та магнітні енергії виявилися нерівними, і $ \ alpha $ почала зростати пропорційно логарифму часу. Приблизно 6 млрд. років тому почала переважати темна енергія, яка прискорила розширення, що ускладнює поширення всіх фізичних взаємодій у вільному просторі. В результаті $\alpha$ знову стала майже постійною.

Описана картина узгоджується з нашими спостереженнями. Спектральні лінії квазара характеризують той період космічної історії, коли домінувала матерія і зростала. Результати лабораторних вимірів та досліджень в Окло відповідають періоду, коли домінує темна енергія і постійна. Особливо цікавим є подальше вивчення впливу зміни $\alpha$ на радіоактивні елементи в метеоритах, тому що воно дозволяє досліджувати перехід між двома названими періодами.

Альфа – це лише початок

Якщо постійна тонка структура змінюється, то матеріальні об'єкти повинні падати по-різному. Свого часу Галілей сформулював слабкий принцип еквівалентності, згідно з яким тіла у вакуумі падають із однаковою швидкістю незалежно від того, з чого вони складаються. Але зміни $ \ alpha $ повинні породжувати силу, що діє на всі заряджені частки. Чим більше протонів містить атом у своєму ядрі, тим сильніше він відчуватиме її. Якщо висновки, зроблені під час аналізу результатів спостереження квазарів, правильні, то прискорення вільного падіння тіл із різних матеріалів має відрізнятися приблизно 1 $\cdot$ $10^(–14)$. Це в 100 разів менше, ніж можна виміряти в лабораторії, але досить багато, щоб виявити відмінності в таких експериментах як STEP (перевірка принципу еквівалентності в космосі).

У попередніх дослідженнях $alpha$ вчені нехтували неоднорідністю Всесвіту. Подібно до всіх галактик, наш Чумацький шлях приблизно в мільйон разів більш щільний, ніж космічний простір в середньому, так що він не розширюється разом із Всесвітом. У 2003 р. Берроу і Девід Мота (David F. Mota) з Кембриджу вирахували, що $ \ alpha $ може поводитися по-різному в межах галактики і в більш порожніх областях простору. Як тільки молода галактика ущільнюється і, релаксуючи, приходить у гравітаційну рівновагу, $ alfa стає постійною всередині галактики, але продовжує змінюватися зовні. Отже, експерименти Землі, у яких перевіряється сталість $\alpha$, страждають від упередженого вибору умов. Нам ще доведеться розібратися, як це позначається на перевірці слабкого принципу еквівалентності. Жодних просторових варіацій $\alpha$ поки що не було помічено. Покладаючись на однорідність реліктового випромінювання, Берроу нещодавно показав, що $ alpha $ не змінюється більше ніж на 1 $ cdot $ $ 10 ^ (-8) $ між областями небесної сфери, віддаленими на $ 10 o $.

Нам залишається чекати на появу нових даних та проведення нових досліджень, які остаточно підтвердять або спростують гіпотезу про зміну $\alpha$. Дослідники зосередилися саме на цій константі просто тому, що ефекти, зумовлені її варіаціями, найлегше помітити. Але якщо $ \ alpha $ дійсно непостійна, інші константи теж повинні змінюватися. У такому разі нам доведеться визнати, що внутрішні механізми природи набагато складніші, ніж ми припускали.

ПРО АВТОРИ:
Джон Берроу (John D. Barrow), Джон Веб (John K. Webb) зайнялися дослідженням фізичних постійних у 1996 р. під час спільної творчої відпустки в університеті Сассекс в Англії. Тоді Берроу досліджував нові теоретичні можливості зміни констант, а Інтернет займався спостереженнями квазарів. Обидва автори пишуть науково-популярні книги та часто виступають у телевізійних програмах.

Проведені дослідження показали, що фундаментальні фізичні константи, що використовуються в сучасній фізиці, безпосередньо походять від перерахованих нижче констант вакууму.

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.

Встановлено, що сучасні фундаментальні фізичні постійні мають вторинний статус по відношенню до знайдених константів і є різними комбінаціями констант. h u, t u, l uі чисел π та α. Константам, що входять до h u-t u-l u-π-α-базис, визначено спеціальний статус - вони визначені як універсальні суперконстанти. На основі універсальних суперконстант отримано нове значення гравітаційної постійної Ньютона, планківських констант та знайдено універсальну формулу сили. Нові фундаментальні фізичні константи дають широкі можливості для встановлення нових фізичних законів та пошуку констант взаємодії для різних фізичних законів.

Вступ

Фізика входить у 21 століття з великим клубком невирішених проблем. Якщо наприкінці 19-го століття у фізиці було «все благополучно» за винятком негативних результатів досвіду Майкельсона та незрозумілої залежності випромінювання абсолютно чорного тіла від температури, то до кінця 20-го століття фізика нагромадила небачену кількість невирішених проблем. Найбільш важливі з них можна знайти у нещодавно опублікованому В.Л. Гінзбургом списку 1999 року.

Якщо тільки дві проблеми кінця 19-го століття призвели до радикальної зміни ситуації у фізиці, то клубок невирішених проблем кінця 20-го століття здатний призвести до обвального перегляду розуміння устрою світу, за яким може наслідувати перекроювання наукової картини світу, що склалася. Велика кількість невдалих спроб у створенні нових фізичних теорій говорить про те, що правильний стратегічний напрямок досліджень досі не виявлено. Серед невирішених фундаментальних проблем ще не позначено найважливішу проблему, вирішення якої дасть ключ до вирішення інших проблем. Зусилля вчених спрямовані як на теоретичні, так і експериментальні дослідження. Пошук нових підходів активно проводиться у сфері дослідження нових фізичних полів з урахуванням концепції фізичного вакууму. Для опису нових видів полів та нових взаємодій необхідно проводити пошук констант взаємодій. Цілком імовірно, що це мають бути нові ще невідомі фізики константи.

У цій роботі порушено проблему, яка, на мій погляд, незаслужено випала з поля зору фізиків і досі не була позначена серед найважливіших фундаментальних проблем. Я маю на увазі проблему фундаментальних фізичних констант. Вона має стояти першому місці, оскільки у ній міститься ключ до вирішення інших проблем фізики. Як буде показано нижче на деяких прикладах, ця проблема дійсно є ключовою, а її рішення відкриває великі можливості для пошуку нових фізичних законів та нових фізичних констант.

1. Проблема фундаментальних фізичних констант

Проблема фундаментальних фізичних констант природно виникла на основі великої кількості накопичених результатів досліджень у галузі фізики елементарних частинок. Завдяки цьому напрямку досліджень з'явилася велика кількість нових фундаментальних фізичних постійних, які вже виділені в окремий клас – атомні та ядерні константи. Слід зазначити, що їхня кількість вже набагато перевищує кількість усіх інших констант разом узятих. Загалом у фізиці використовуються вже сотні фізичних констант. Список фундаментальних фізичних констант рекомендований CODATA 1998 налічує близько 300 фундаментальних фізичних констант. Те, що кількість констант досягла вже кількох сотень, і всі вони є фундаментальними – явно ненормально. Якщо до них підходити як до істинно фундаментальних, їх занадто багато. Якщо виходити з того, що в основі світу лежить єдина сутність, і що механічні, електричні та гравітаційні явища повинні мати єдину природу, то для опису всіх фізичних явищ і законів не потрібна така велика кількість констант. Якщо ж підходити до поняття фундаментальності повною мірою, то справжньої фундаментальності повинні мати зовсім мінімальну кількість констант, а не сотні. Таким чином, існує велика суперечність між мінімально необхідною кількістю фундаментальних констант та їх реальною великою кількістю.

Можна припустити, що відомі сьогодні константи є складовими константами і статус фундаментальних вони мають лише з історичних особливостей їх появи. Тоді виникають питання: «з яких нових констант, що не наводяться, вони можуть складатися і як вони пов'язані між собою?». Якщо такі первинні константи існують, вони могли б претендувати на роль фундаментальних фізичних суперконстант і замінити собою існуючі константи. Чи існують такі суперконстанти, які можуть замінити таку велику кількість таких різних фундаментальних фізичних констант і скільки їх? На ці питання у рамках сучасних знань відповідей поки що немає.

Найважливіші сучасні фізичні теорії оперують константами G, h, cв їх різних комбінаціях. Так, наприклад, теорію тяжіння Ньютона можна умовно назвати G-теорією. Загальна теорія відносності є класичною ( G, c)-теорією. Релятивістська квантова теорія поля є квантовою ( h, c)-теорією. Кожна з цих теорій оперує однією чи двома розмірними константами. Відкриття планківських одиниць довжини, маси та часу породили надію на можливість створення нової квантової теорії на основі трьох констант. Однак, спроби створити єдину теорію електромагнітних полів, частинок та гравітації на основі трьох розмірних констант – ( G, c, h)-Теорію, закінчилися невдачею. Такої теорії досі немає, хоча її появу покладали великі надії . на G-c-h-Базис все ще покладають надії як на основну трійку констант для майбутньої теорії. Багато хто вказує на те, що трьох розмірних констант має бути достатньо для створення єдиної теорії. Адже недарма лише з трьох основних одиниць – метра, кілограма та секунди можна отримати всі похідні одиниці, що мають механічну природу. Проте досі незрозуміло, які три константи мають становити основу майбутньої несуперечливої ​​теорії? Завдання це виявилося дуже складним. Я вважаю, що причини складності криються в нез'ясованій сутності багатьох фундаментальних констант і в нез'ясованих витоках їхнього походження. Проведені дослідження дозволяють сказати, що мінімальна кількість первинних констант, у тому числі складаються сучасні фундаментальні фізичні константи, справді існує. При цьому мінімальний константний базис входять як вже відомі фізичні постійні, так і нові константи.

2. Константи фізичного вакууму

При дослідженні властивостей фізичного вакууму, співвідношення для щільності енергії отримана наступна формула для повної енергії, укладеної в динамічному об'єкті вакууму :

Це співвідношення нагадує за своїм виглядом формулу Планка E = hВ·ν. Тільки роль кванта дії виконує у ній не постійна Планка, а нова константа:

Значення константи G uрівно:

G u= 2,56696941 (21) · 10 -45 Н · с 2 .

Константа R uотримала назву фундаментальний квант опору. Її значення дорівнює:

R u= 29,9792458 Ом.

Ці три константи h u, G u, R uє основними константами вакууму. Примітним є те, що вони безпосередньо випливають із безперервного поля Максвелла.

З константою вакууму G uпов'язаний новий динамічний закон, властивий фізичному вакууму. Цей закон має вигляд:

де: mе – електромагнітна маса, l– метрична характеристика.

З динамічного закону випливає, що електромагнітна маса набуває значення від деякого мінімального значення до деякої граничної величини:

Це призводить до того, що метрична характеристика змінюється від деякого максимального значення до деякої граничної величини:

Рівняння (5) є динамічним законом, який відображає динамічну симетрію вакууму. D-інваріантність вакууму є новим видом симетрії та відображає найбільш фундаментальну властивість Природи. З D-інваріантністю вакууму пов'язаний найважливіший закон збереження, який не порушується за всіх видів взаємодій.

D-інваріантність вакууму є симетрією вищого порядку, ніж відомі на сьогодні симетрії. Порушення симетрії, що спостерігаються у Природі, аж до незбереження CP-інваріантності, не торкаються D-Інваріантність вакууму. Кордоном D-інваріантності є фундаментальні константи m eі l uщо відображає динамічний закон вакууму. Таким чином, динамічна симетрія вакууму не суперечить ідеї розвитку, оскільки D-інваріантність зберігається тоді, коли порушуються інші види симетрії. У вакуумі реалізується реальний фізичний процес, зобов'язаний своїм існуванням динамічної симетрії, що призводить до появи дискретних частинок з безперервного фізичного об'єкта, що у математичному описі представлено досягнення фізичними величинами своїх граничних квантованих значень .

Зі співвідношень (2) і (4) випливає, що:

У системі СГСЕ співвідношення для елементарного заряду набуде вигляду:

Співвідношення (7) та (8) представлені квадратним коренем. У тому числі безпосередньо випливає бінарність зарядів, тобто. те, що заряди мають два знаки. Оскільки заряди визначаються лише константами, то із цих співвідношень випливає також і квантованість зарядів.

Розглядаючи динаміку нематеріальних об'єктів вакууму, легко бачити, що першим фіксованим значенням енергії, що відповідає стійкому фізичному об'єкту, є енергія електрона чи позитрону E e. Тоді значення частоти, яке відповідає цій величині енергії, буде дорівнює:

ν = E e/h u= 1,063870869 · 10 23 Гц.

Звідси випливає четверта фізична константа вакууму - фундаментальний квант часу:

t u= 0,939963701 (11) · 10 -23 с.

Використовуючи константу швидкості світла c, Отримаємо п'яту константу вакууму - фундаментальний квант довжини:

l u= 2,817940285 (31) · 10 -15 м.

Зазначимо, що значення цієї константи точно збігається з класичним радіусом електрона. Усі п'ять констант вакууму h u, G u, R u, t u, l uотримані з урахуванням нового підходу до розуміння фізичної сутності польових структур. Проведені дослідження цих констант показали, що фундаментальні фізичні константи, що використовуються в сучасній фізиці, безпосередньо походять від констант фізичного вакууму. Наведені вище основні константи вакууму дозволяють отримати ряд вторинних констант, які є похідними константами і також належать до фізичного вакууму.

Константи фундаментальної метрики t uі l uутворюють нову константу b, названу фундаментальним прискоренням :

b = l u/t u 2 .

b= 3,189404629 (36) · 10 31 м / с 2 .

Ця константа дозволила отримати новий закон сили

F = m· b.

Цей закон відбиває зв'язок сили з дефектом маси.

Дослідження констант вакууму привели до висновку, що динамічних об'єктів вакууму можна визначити константу магнітного моменту. Такий магнітний момент було знайдено у . Він отримав назву фундаментальний магнетон вакууму. Наводимо співвідношення для фундаментального магнетону вакууму:

μ u = l u (h u c) 1/2 /2π.

Значення цієї константи одно:

μ u= 2,15418485 (11) · 10 -26 Дж / Тл.

Фундаментальний магнетон μ uта магнетон Бора μ Bпов'язані між собою наступним співвідношенням:

μ u = μ B α/π.

3. Універсальні суперконстанти

В отримані нові результати, що показують, що група констант вакууму h u, t u, l uспільно з числами π і α, має унікальну особливість. Ця особливість полягає в тому, що фундаментальні константи, що використовуються у фізиці, являють собою різні комбінації перерахованих констант. Таким чином, названі константи вакууму мають первинний статус та можуть виконувати роль онтологічного базису фізичних констант. Константи, що входять до h u-t u-l u-π-α-базис, названі універсальними суперконстантами.

Їх значення такі:

• фундаментальний квант дії h u= 7,69558071 (63) · 10 -37 Дж · с;
• фундаментальний квант довжини l u= 2,817940285 (31) · 10 -15 м;
• фундаментальний квант часу t u= 0,939963701 (11) · 10 -23 с;
• постійна тонкої структури α = 7,297352533 (27) · 10 -3;
• число π = 3,141592653589...

Константи цієї групи дозволили виявити абсолютно несподівану загальну взаємозалежність та глибокий взаємний зв'язок усіх фундаментальних фізичних констант. Нижче, як приклад, показано деякі фундаментальні постійні пов'язані з універсальними суперконстантами. Для основних констант ці функціональні залежності виявилися такими:

• елементарний заряд: e = f (h u, l u, t u);
• маса електрона: m e = f (h u, l u, t u);
• постійна Рідберга: R ∞ = f (l u, α, π);
• гравітаційна постійна: G = f (h u, l u, t u, α, π);
• відношення мас протона-електрона: m p/m e = f (α, π);
• постійна Хаббла: H = f (t u, α, π);
• планківська маса: m pl = f (h u, l u, t u, α, π);
• планківська довжина: l pl = f (l u, α, π);
• планківський час: t pl = f (t u, α, π);
• квант магнітного потоку: Ф 0 = f (h u, l u, t u, α, π);
• магнетон Бору: μ B = f (h u, l u, t u, α,).

Як бачимо, між фізичними константами є глобальний зв'язок на фундаментальному рівні. З наведених залежностей видно, що найменш складними є константи h, c, R ∞ , m p/m e. Це вказує на те, що ці постійні найбільш близькі до первинних константів, однак не є такими. Як бачимо, константи, які традиційно носять статус фундаментальних констант, не є первинними та незалежними постійними. До первинних та незалежних можна віднести лише суперконстанти вакууму. Підтвердженням цього стало те, що використання суперконстантного базису дозволило отримати всі основні фундаментальні фізичні константи розрахунковим шляхом. Те, що відомі сьогодні фундаментальні фізичні константи не мають статусу первинних та незалежних постійних, а на їх основі намагалися побудувати фізичні теорії, і стало причиною багатьох проблем фізики. Фундаментальні теорії неможливо збудувати на вторинних константах.

Розмірні суперконстанти h u, l u, t uвизначають фізичні властивості простору-часу. Суперконстанти πі α визначають геометричні властивості простору-часу. Таким чином, підтверджується підхід А. Пуанкаре, згідно з яким затверджується додатковість фізики та геометрії. Відповідно до цього підходу в реальних експериментах ми завжди спостерігаємо якусь «суму» фізики та геометрії. Група універсальних суперконстант своїм складом підтверджує це.

4. Нове значення константи G

Залежність константи Gвід первинних суперконстант вказує на те, що цю найважливішу постійну можна отримати за допомогою математичних розрахунків. Як відомо, сама форма закону всесвітнього тяжіння Ньютона – пряма пропорційність сили масам та зворотна пропорційність квадрату відстані, перевірена з набагато більшою точністю, ніж точність визначення гравітаційної постійної G. Тому основне обмеження на точне визначення гравітаційних сил накладає константа G. Крім того, з часів Ньютона залишається відкритим питання про природу гравітації та про сутність найгравітаційнішої постійної G. Ця константа визначена експериментально. Науці поки невідомо, чи існує аналітичне співвідношення визначення гравітаційної константи. Науці також не був відомий зв'язок між постійним Gта іншими фундаментальними фізичними константами. У теоретичній фізиці цю найважливішу постійну намагаються використовувати разом із постійною Планкою та швидкістю світла для створення квантової теорії гравітації та для розробки єдиних теорій. Тому, питання про первинність та незалежність константи G, а також необхідність знати її точне значення виходять на перший план.

Чисельне значення Gбуло визначено вперше англійським фізиком Г. Кавендішем у 1798 р. на крутильних вагах шляхом вимірювання сили тяжіння між двома кулями.

Сучасне значення константи G, рекомендований CODATA 1998 :

G= 6,673 (10) · 10 -11 м 3 кг -1 с -2.

З усіх універсальних фізичних постійних точність у визначенні Gє найнижчою. Середньоквадратична похибка для Gкілька порядків перевищує похибка інших констант.

Цілком несподіваним виявилося те, що Gможе бути виражена у вигляді електромагнітних констант. Це стає важливим, оскільки точність констант електромагнетизму набагато більша за точність постійної. G.

Відкрита група універсальних суперконстант, що мають первинний статус, та виявлений глобальний зв'язок фундаментальних констант дозволили отримати математичні формули для обчислення гравітаційної постійної G. Таких формул було кілька. Як підтвердження цього, нижче наведено 9 еквівалентних формул:

З наведених формул видно, що константа Gвиражається за допомогою інших фундаментальних констант дуже компактними та красивими співвідношеннями. При цьому всі формули для гравітаційної константи зберігають когерентність. Серед фізичних постійних, за допомогою яких представлена ​​гравітаційна константа, є такі константи як фундаментальний квант. h u, швидкість світла c, постійна тонкої структури α, постійна Планка h, число π, фундаментальна метрика простору-часу ( l u, t u), елементарна маса m e, елементарний заряд e, велика кількість Дірака D 0 , енергія спокою електрона E e, планківські одиниці довжини l pl, маси m pl, часу t pl, постійна Хаббла H, константа Рідберга R ∞ . Це свідчить про єдину сутність електромагнетизму і гравітації і наявність фундаментальної єдності в усіх фізичних констант. З наведених формул видно, що зв'язок між електромагнетизмом та гравітацією дійсно існує і проявляється навіть на рівні гравітаційної константи G.

Тепер, після 200 років після першого виміру G, з'явилася можливість основі отриманих формул обчислити її точне значення, використовуючи константи електромагнетизму. Оскільки точність у визначенні констант електромагнетизму висока, то точність постійної гравітаційної можна наблизити до точності електромагнітних констант. Усі наведені вище формули дають нове значення G, яке за точністю майже на п'ять порядків (!) вище відомого на сьогодні значення. Нове значення Gзамість чотирьох цифр містить 9 цифр:

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

За допомогою універсальних суперконстант вдалося отримати нові формули для планківських констант:

На основі цих формул отримано нові значення планківських 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.

Ці нові значення планківських констант за точністю майже на п'ять порядків точніше відомих на сьогодні значень.

Універсальні суперконстанти дозволили отримати нове точне значення параметра Хаббла:

H= 53,98561 (87) (км / с) / Мпс.

5. Фундаментальна константа сили

Особливості констант фізичного вакууму привели до висновку, що сили взаємодії повинні виражатися через константи вакууму. Покажемо це. Із закону Кулона для взаємодіючих елементарних зарядів випливає:

F = e 2 /l 2 .

На підставі формули (8) представимо це співвідношення наступним чином:

F = h u c/l 2 = h uν 2 / c.

Значення h u/cз урахуванням формули (3) дорівнюватиме G u. Виходячи з цього, отримаємо співвідношення для закону універсальної взаємодії:

F = G uВ· 2 .

Для граничного значення метрики із закону універсальної взаємодії отримаємо наступне співвідношення для константи сили:

F u = h u/l u t u.

Ця нова фізична константа названа фундаментальною константою сили. Її значення одно:

F u= 29,0535047(31) Н.

Вона є універсальною константою сили всім відомих сьогодні видів взаємодій. Як показано в , ця константа присутня не тільки в законі Кулона, але і в законах Ньютона, в законі Галілея, в законі Ампера і в законі всесвітнього тяжіння.

6. Універсальна формула сили

Пошук єдиної взаємодії, що зводить воєдино чотири фундаментальні взаємодії, - одне з найскладніших невирішених завдань фізики. Сучасні спроби поєднання сильної, слабкої, електромагнітної та гравітаційної взаємодій засновані на пошуку умов, за яких константи взаємодій збігаються за своїми величинами. Вважається, якщо є така єдина константа, то об'єднання взаємодій можливе. Однак такий підхід поки не призвів до обнадійливих результатів. Чи не розкрито взаємозв'язок чотирьох фундаментальних взаємодій, не зрозумілі витоки їх появи.

Я вважаю, що вирішення проблеми єдиної взаємодії потрібно шукати на іншому напрямі.

Замість пошуку умов, за яких константи взаємодій можуть збігатися, доцільно дослідити генезис фундаментальних взаємодій та вести пошук нової константи єдиної взаємодії. Є всі підстави вважати, що така константа існує. Єдність фундаментальних фізичних констант вказує на існування єдності у електромагнітних та гравітаційних сил. Зокрема до вирішення цієї проблеми може підштовхнути з'ясування наступного питання. Чому так схожі за своїм виглядом формули законів Кулона та всесвітнього тяжіння Ньютона? Такі різні взаємодії виявилися такими схожими в математичному поданні формули сили. В одному – заряди, в іншому – маси, але формули однакові. Що ховається за цією разючою подібністю? Є кілька шляхів вирішення цієї проблеми. Перший шлях полягає в тому, щоб з'ясувати, який існує зв'язок між масою і зарядом. Фактично це означає, що потрібно вести пошук відповіді питання: чи існує електромагнітна маса і що таке? Другий шлях полягає у з'ясуванні сутності гравітаційної константи G. Можливо, що і в ній прихований зв'язок між електрикою та гравітацією. Третій шлях заснований на припущенні, що і закон Кулона, і закон Ньютона є фрагментами якогось універсального фундаментального закону сили. Якщо це подібність невипадково, то має існувати єдиний закон сили, який лише проявляється для електрики як закон Кулона, а гравітації – як закон Ньютона. Як показано в єдиному законі сили дійсно існує. Закон Кулона та закони Ньютона справді є його приватними проявами. Використовуючи універсальні суперконстанти, ми мали можливість не просто виявити подібність у формі запису в цих законів, а встановити їх зв'язок на фундаментальному рівні. На основі суперконстанту вдалося отримати нову формулу сили, яка названа універсальною формулою сили. Вона має такий вигляд:

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

У універсальну формулу сили входять суперконстанти h u, l u, t uта безрозмірні коефіцієнти N 1 , N 2 , N 3 . Коефіцієнти N 1 та N 2 єдиним чином представляють або відношення взаємодіючих мас до елементарної маси, або відношення зарядів до елементарних зарядів, або відношення струмів до елементарного струму. Коефіцієнт N 3 є відношенням довжини до фундаментального кванту довжини. Універсальна формула сили перетворюється на формулу F = maпри 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.

Універсальна формула сили перетворюється на формулу закону 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 універсальній формулі сили перший співмножник є новою фізичною константою, що має розмірність сили. Це є фундаментальна константа сили F uотримана вище.

Співвідношення цієї константи визначається виключно розмірними суперконстантами вакууму.

При N 1 = m 1 /me, N 2 = m 2 /m e, N 3 = 1/l uта при заміні фундаментального кванта дії h uна гравітаційний квант дії h g = h u/D 0 універсальна формула сили перетворюється на наступну 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).

Комбінація констант у першому співмножнику у правій частині співвідношення точно збігається з формулою для обчислення гравітаційної константи G:

h u· l u/t u· m e 2 D 0 = G.

Таким чином, універсальна формула сили перетворюється на формулу закону всесвітнього тяжіння:

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

У цій формулі фізична константа, що має розмірність сили, визначається аналогічно фундаментальній константі сили. Співвідношення для цієї константи має вигляд:

F ug = h g /l u· t u.

Її значення дорівнює 6,9731134 · 10 -42 · Н.

Той факт, що і закони механіки, і закон гравітації, і закон електростатики виражаються єдиною формулою – універсальною формулою сили, вказує на єдину природу всіх взаємодій. На рис. 1 схематично показаний зв'язок універсальної формули сили з фізичними законами. Такий зв'язок виявлено із законом Ньютона, законом Галілея, законом Кулона і навіть із законом Ампера для взаємодіючих провідників із струмом.

Рис.1. Зв'язок універсальної формули сили із фізичними законами.

Дослідження показали, що з універсальної формули сили випливають два нові закони:

F = mbі F = G uν 2 .

Формула F = mbвизначає зв'язок сили із дефектом маси. Константою у цій формулі є фундаментальне прискорення b= 3,189404629 (36) · 10 31 м / с 2 . Формула F = G uν 2 представляє нову універсальну взаємодію. Константою в цій формулі є нова фізична стала вакуумума G u= 2,56696941 (21) · 10 -45 Н · с 2 . В показано, що із закону універсальної взаємодії безпосередньо випливають і закон Кулона і закон всесвітнього тяжіння Ньютона та закон Ампера.

За генетичним зв'язком всі взаємодії можна розташувати в такій послідовності: універсальне, електромагнітне, сильне, слабке, гравітаційне. Як бачимо, коріння всіх взаємодій слід шукати в універсальній взаємодії. Ця п'ята взаємодія характерна для фізичного вакууму і не пов'язана з взаємодією будь-яких частинок, у тому числі частинок речовини. У той самий час, з нього походять закони які стосуються взаємодій частинок.

Універсальна формула сили показує, що значення електричних, магнітних, механічних і гравітаційних сил залежать не так від абсолютних значень мас, зарядів, струмів і відстаней, як від їх співвідношення з фундаментальними константами - масою електрона, елементарним зарядом, елементарним струмом і фундаментальним квантом довжини. Це вказує на необхідність нового підходу до розуміння сутності фундаментальних взаємодій.

Таким чином, причина разючої подібності формул у законах Кулона і всесвітнього тяжіння Ньютона походить від фундаментальної єдності сил інерції, гравітації та електромагнетизму. Цю єдність сил вдалося встановити на основі виявленої фундаментальної єдності фізичних констант та знайдених нових фізичних постійних.

7. Висновки

Отримано нові фундаментальні фізичні константи h u, G u, R u, t u, l u, що відносяться до фізичного вакууму Виявлено групу констант, яким визначено спеціальний статус універсальних суперконстант. За допомогою універсальних суперконстант, які є константами вакууму, можна представити всі закони та формули класичної та квантової фізики, а також усі фундаментальні константи, у тому числі постійну Планку hта гравітаційну постійну G. Група, що складається з п'яти універсальних суперконстант h u, t u, l u, π, α дозволяє описувати фізичні закони, що відносяться як до поля, так і до речовини. Відомі сьогодні фундаментальні фізичні постійні мають вторинний статус стосовно знайденим універсальним суперконстантам вакууму. Відкриття групи з п'яти незалежних універсальних суперконстант, яких цілком достатньо отримання інших фізичних констант, свідчить про глибокий взаємозв'язок констант різної природи. Знайдені нові фундаментальні константи відкривають перспективний напрямок для виявлення нових фізичних законів та для пошуку нових констант взаємодій.

Література

1. Peter J. Mohr та 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.
2. DC. Cole та H.E. Puthoff, Extracting Energy and Heat from the Vacuum, Phys. Rev. E, v. 48, No. 2, 1993.
3. Ю.І. Манін. Математика та фізика. М.: "Знання", 1979.
4. В.Л. Гінзбург. «Які галузі фізики та астрофізики видаються важливими та цікавими». УФН, №4, т. 169, 1999.
5. Н.В. Косінов. "Електродинаміка фізичного вакууму". Фізичний вакуум та природа, №1, 1999.
6. Н.В. Косінов. «Фізичний вакуум та гравітація». Фізичний вакуум та природа, №4, 2000.
7. Н.В. Косінов. «Закони унітронної теорії фізичного вакууму та нові фундаментальні фізичні константи». Фізичний вакуум та природа, №3, 2000.
8. N. Kosinov. «Five Fundamental Constants of Vacuum, Lying в основу всіх Physical Laws, Constants and Formulas». Physical Vacuum and Nature, №4, 2000.
9. Н.В. Косінов. "П'ять універсальних фізичних констант, що лежать в основі всіх фундаментальних rонстант, законів і формул фізики". Шоста Міжнародна конференція "Сучасні проблеми природознавства". Програма та тези. С-Петербург, серпень, 2000
10. Н.В. Косінов. «Розгадка причин разючої схожості формул законів Кулона та всесвітнього тяжіння Ньютона». Шоста Міжнародна конференція "Сучасні проблеми природознавства". Програма та тези. С-Петербург, серпень, 2000
11. Н.В. Косінов. «Еманація речовини вакуумом та проблема структурогенезу». Ідея, №2, 1994.
12. Н.В. Косінов. "Енергія вакууму". Енергія майбутнього століття, №1, 1998.
13. Н.В. Косінов. "Універсальні фізичні суперконстанти".
14. Н.В. Косінов. «Нова фундаментальна фізична константа, що лежить в основі постійної Планки».
15. NV. Косінов, Z.N. Косінова. «Tie of Gravitational Constant G and Planck Constant h». 51 st International Astronautical Congress 2...6 Oct. 2000/Rio de Janeiro, Brazil.
16. A. Пуанкаре. Наука та гіпотеза. A. Пуанкаре. Про науку. М., 1983.
17. В.А. Фірсів. «Філософсько-методологічний аналіз проблеми єдності фізики в концепції калібрувальних полів». Філософія науки, №1 (3), 1997.

"Золотий лад" - константа, за визначенням! Автор А. А. Корнєєв 22.05.2007 р.

© Олексій А. Корнєєв

"Золотий лад" - константа, за визначенням!

Як повідомлялося на сайті «Академія Тринітаризму» з приводу опублікованої там статті автора, їм було представлено загальну формулу виявленої залежності (1) та виведено нову константу «L» :

(1: Nn) х Фm = L(1)

… У результаті було визначено та обчислено простий дріб, що відповідає зворотному значенню параметра «L», який було запропоновано назвати константою «золотого ладу»

"L" = 1/12.984705 = 1/13 (З точністю не гірше 1,52%).

У відгуках та коментарях (до зазначеної статті) було висловлено сумнів у тому, що виведене з формули (1)

число «L» є КОНСТАНТОЮ.

У цій статті міститься відповідь на висловлені сумніви.

У формулі (1) ми маємо справу з рівнянням, де його параметри визначено так:

N - Будь-яке з чисел ряду Фібоначчі (крім першого).

n- Порядковий номер числа з ряду Фібоначчі, починаючи з першого числа.

m- Чисельний показник ступеня індексного (граничного) числа ряду Фібоначчі.

L - Постійна величина при всіх розрахунках за формулою (1):L =1/13;

Ф- Індексне (граничне) число ряду Фібоначчі (Ф = 1,61803369 ...)

У формулі (1) змінними (змінними під час розрахунків!) Параметрами є значення конкретних величин « n» і «m».

Тому абсолютно правомірно записати формулу (1) у найзагальнішому вигляді так:

1: f(n) = f(m) * L (2)

Звідки випливає, що:f(m) : f(n) = L = Const.

Завжди!

Дослідження роботи , саме – розрахункові дані Таблиці 1, показали, що з формули (1) числові значення змінних параметрів виявилися пов'язані між собою за правилом: m = (n – 7 ).

І це числове співвідношення параметрів «m» і «n» також завжди зберігається незмінним.

З урахуванням останнього (або без урахування зв'язку параметрів «m» і «n» ), але рівняння (1) і (2) є (за визначенням) рівняннями алгебри.

У цих рівняннях, згідно з усіма існуючими правилами математики (див. нижче копію стор. 272 ​​з «Довідника з математики») всі складові таких рівнянь мають однозначні найменування (інтерпретації понять).

Нижче на Рис.1 представлена ​​Копія сторінки з «Довідник з математики ».

Рис.1

Москва. Травень 2007 р.

Про константи (довідково)

/цитати з різних джерел/

Математичні константи

<….Математическая константа - величина, значение которой не меняется; в этом она противоположна переменной. В отличие от физических констант, математические константы определены независимо от каких бы то ни было физических измерений…>.

<….Константа - величина, которая характеризуется постоянным значением, например 12 - числовая константа; "кот" - строковая константа.Изменить значение константы невозможно. Переменная - величина, значение которой может меняться, поэтому переменная всегда имеет имя (Для константы роль имени играет е значение). …>.

<….Данное свойство играет важную роль в решении дифференциальных уравнений. Так, например, единственным решением дифференциального уравнения f"(x) = f(x) является функция f(x) = c*exp(x)., где c - произвольная константа. …>.

<….Важную роль в математике и в других областях играют математические константы. В обычных языках программирования константы задаются с некоторой точностью, достаточной для решения задач численными методами.

Подібний підхід не застосовується до символьної математики. Наприклад, для завдання математичного тотожності, згідно з яким натуральний логарифм від константи Ейлера e точно дорівнює 1, константа повинна мати абсолютну точність. …>.

<….Математическую константу e иногда называют число Эйлера, а в большинстве случаев неперово число в соответствии с историей рождения константы. …>.

<….e - математическая константа, основание натурального логарифма, иррациональное и трансцендентное число. e = 2,718281828459045… Иногда число e называют числом Эйлера или неперовым числом. Играет важную роль в дифференциальном и интегральном исчислении. …>.

Світові константи

<….Мировые математические константы – это Мировые … факторы объектного многообразия. Речь пойдет об удивительной константе, применяемой в математике, но почему константе придается такая значимость, это обычно оказывается за пределами понимания обывателя. …>.

<….В этом смысле математические константы – только структурообразующие факторы, но не системообразующие. Их действие всегда локально. …>.

Фізичні константи

<….Арнольд Зоммерфельд, добавивший эллиптические орбиты электронов к круговым орбитам Бора (атом Бора-Зоммерфельда); автор "формулы тонкой структуры", экспериментальное подтверждение которой, по словам Макса Борна, явилось "блестящим доказательством как принципа относительности Эйнштейна, так и Планковской теории квант". …>.

<….В этой формуле появляется "таинственное число 137" (Макс Борн) - безразмерная константа, которую Зоммерфельд назвал постоянной тонкой структуры, связывает между собой Три фундаментальні фізичні константи: швидкість світла, постійну планку та заряд електрона.

Величина постійної тонкої структури - одна з підстав антропного принципу у фізиці та філософії: Всесвіт такий, щоб ми могли існувати та вивчати його. Число А разом із постійною тонкою структурою ± дозволяють отримати важливі безрозмірні фундаментальні константи, які в інший спосіб отримати не вдавалося. …>.

<….Показано, что константы А и ± являются константами одного класса. Постоянная тонкой структуры была введена в физику Зоммерфельдом в 1916 году при создании теории тонкой структуры энергии атома. Первоначально постоянная тонкой структуры (±) была определена как отношение скорости электрона на низшей боровской орбите к скорости света. С развитием квантовой теории стало понятно, что такое упрощенное представление не объясняет ее истинный смысл. До сих пор природа происхождения этой константы не раскрыта. …>.

<….Кроме тонкой структуры энергии атома эта константа проявляется в следующей комбинации фундаментальных физических констант: ± = ј0ce2/2h. По поводу того, что константа (±) появляется в соотношении, связывающем постоянную Планка, заряд и скорость света Дирак писал : "неизвестно почему это выражение имеет именно такое, а не иное значение. Физики выдвигали по этому поводу различные идеи, однако общепринятого объяснения до сих пор нет".…>.

<….Кроме постоянной тонкой структуры ± в физике существуют и другие безразмерные константы. К числу важных безразмерных констант относятся большие числа порядка 1039 -1044, которые часто встречаются в физических уравнениях. Считая совпадения больших чисел не случайными, П.Дирак сформулировал следующую гипотезу больших чисел : …>.

Медичні константи

<….Собственные исследования многоклеточного материала (1962-76), проводимые в организациях Минздрава Латвийской ССР, Академии Mедицинских Наук и Министерства Обороны СССР, совместно с доктором Борисом Каплан и профессором Исааком Маерович, привели к открытию признаков раннего распознавания опухоли, известных как "Константы Каплана". Являясь вероятностной мерой, эти признаки отражают ранние состояния озлокачествления. …>.

<….Сами по себе эти два признака были давно известны и раздельно хорошо изучены многочисленными исследователями, но нам удалось установить специфическое их сочетание на константах Каплана, как на аргументах, обладающее разделительными, по состоянию клетки, свойствами. Это стало крупным достижением онкологической науки, защищенным множеством патентов. …>.

НЕ КОНСТАНТИ

<….Число «g» /ускорение силы тяжести/ …. Оно не является математической константой.

Воно - випадкове число, що залежить від багатьох факторів, наприклад, від того, що за метр прийняли 1/40000 меридіана. Прийняли б одну хвилину дуги - було б інше прискорення сили тяжіння.

До того ж, це число ще й різне (у різних точках земної кулі чи іншої планети), тобто це не константа...>.

Розглянемо характер взаємодії елементарних частинок. Частинки взаємодіють між собою шляхом обміну квантами силових полів, і, як встановлено до теперішнього часу, у природі спостерігається чотири типи сил, чотири фундаментальні взаємодії:

сильне (ядерне, що зв'язує протони та нейтрони в ядрах хімічних елементів);

електромагнітне;

слабке (відповідальне за порівняно повільні бета-розпади)

гравітаційне (що призводить до закону всесвітнього тяжіння Ньютона). Гравітаційна та електромагнітна взаємодії відносяться до сил, що виникають у гравітаційних та електромагнітних полях. Природа гравітаційного взаємодії, кількісно встановленого ще Ньютоном, досі повністю не визначено, і незрозуміло, як передається це через простір.

Ядерні сили, що відносяться до сильних взаємодій, діють на малих відстанях, близько 10-15 м, в ядрах і забезпечують їх стійкість, переважаючи над відштовхувальною дією кулонівських сил електромагнітних полів. Тому ядерні сили є переважно силами тяжіння і діють між протонами ( р- р) та нейтронами ( п- п). Існує також протон - нейтронна взаємодія ( p- п). Оскільки ці частинки об'єднані в одну групу нуклонів, то ця взаємодія називається також нуклон-нуклонною.

Слабкі взаємодії проявляються у процесах ядерного розпаду чи ширше - у процесах взаємодії електрона і нейтрино (воно може існувати також між будь-якими парами елементарних частинок).

Як ми вже знаємо, гравітаційна та електромагнітна взаємодія змінюються з відстанню як 1/ r 2 і є дальнодіючими. Ядерна (сильна) та слабка взаємодії є короткодіючими. За своєю величиною основні взаємодії розташовуються в наступному порядку: сильна (ядерна), електрична, слабка, гравітаційна.

Передбачається, що квантами - переносниками цих чотирьох силових полів є: для сильної взаємодії - безмасові глюони (8); для електромагнітного – безмасові фотони (кванти світла зі спином 1); для слабкого - бозони (три частки в 90 разів важчі за протон) і для гравітаційного - безмасові гравітони (зі спином 2).

Глюони склеюють та утримують кварки всередині протонів та ядер. Кванти всіх цих полів взаємодій мають цілі спини і тому є бозонами, на відміну від частинок - ферміонів, що мають спін 1/2. Глюони і кварки мають своєрідний «заряд», який прийнято називати «колірним зарядом» або просто «кольором». У квантовій хромодинаміці допустимими вважають лише три кольори - червоний, блакитний та зелений. Глюони і кварки не вдалося поки спостерігати безпосередньо, і вважають, що кольорові кварки «не мають права» вилітати назовні з ядер, подібно до того, як фонони - кванти теплових коливань кристалічних ґрат атомів - існують тільки всередині твердих тіл. Ця властивість зв'язування або утримання, кварків і глюонів в адронах називається конфайнментом. Вилітати з ядер назовні і спостерігатися мають право лише білі (безбарвні) комбінації кварків у вигляді адронів - баріонів і мезонів, які виникають в ядерних реакціях при зіткненнях різних частинок. Цікаво, що одиночний кварк, що з'явився внаслідок якихось процесів, практично миттєво (протягом 10 -21 с) «добудовує» себе до адрону і вилетіти з адрону вже не може.

Чотирьом фундаментальним взаємодіям відповідають чотири світові константи. Переважна кількість фізичних констант має розмірності, що залежать від системи одиниць відліку, наприклад, у СІ (Міжнародній системі одиниць - системі міжнародної) заряд е=1,6 · 10 -19 Кл, його маса т = 9,1 · 10 -31 кг. У різних системах відліку основні одиниці мають різні числові значення та розмірності. Таке становище не влаштовує науку, оскільки зручніше мати безрозмірні константи, не пов'язані з умовним вибором вихідних одиниць та систем відліку. Крім того, фундаментальні константи не виводять із фізичних теорій, а визначають експериментально. У цьому сенсі теоретичну фізику не можна вважати самодостатньою та закінченою для пояснення властивостей природи, поки проблема, пов'язана зі світовими константами, не буде зрозуміла та пояснена.

Аналіз розмірностей фізичних констант призводить до розуміння того, що вони відіграють важливу роль у побудові окремих фізичних теорій. Проте якщо спробувати створити єдине теоретичне опис всіх фізичних процесів, тобто, іншими словами, сформулювати уніфіковану наукову картину світу від мікро-до макрорівня, то головну, визначальну роль мають відігравати безрозмірні, тобто. «істинно» світові,константи. Такими є константи основних взаємодій.

Константа гравітаційної взаємодії:

Константа електромагнітної взаємодії:

.

Константа сильної взаємодії:

,

де - колірний заряд (індекс "s" від англійського слова "strong" - сильний.)

Константа слабкої взаємодії:

,

де g ~ 1,4 · 10 -62 Дж · м 3 - константа Фермі.(Індекс "w" від англійського слова "weak" - слабкий.) Зауважимо, що розмірну константу гравітаційної взаємодії отримав ще сам І. Ньютон: G~ 6,67 · 10 -11 м 3 · З 2 · кг -1 .

Відомо, що цей закон всесвітнього тяжіння недоведений, оскільки отримано шляхом узагальнення досвідчених фактів. Причому абсолютна справедливість його не може бути гарантована доти, доки не стане зрозумілим сам механізм тяжіння. Константа електромагнітної взаємодії відповідає за перетворення заряджених частинок на такі ж частинки, але при зміні швидкості їх руху та появі додаткової частинки - фотона. Сильне і слабке взаємодії проявляються у процесах мікросвіту, де можливі взаємоперетворення частинок. Тому константа сильної взаємодії кількісно визначає взаємодії баріонів. Константа слабкої взаємодії пов'язана з інтенсивністю перетворень елементарних частинок за участю нейтрино та антинейтрино.

Вважають, що всі чотири види взаємодії та їх константи зумовлюють нинішню будову та існування Всесвіту. Так, гравітаційне – утримує планети на їхніх орбітах та тіла на Землі. Електромагнітне - утримує електрони в атомах і з'єднує їх у молекули, з яких складається і ми самі. Слабке - забезпечує тривале «горіння» зірок та Сонця, що дає енергію для перебігу всіх процесів життя Землі. Сильна взаємодія забезпечує можливість стабільного існування більшості ядер атомів. Теоретична фізика показує, що зміна числових значень цих чи інших констант призводить до руйнування стійкості одного чи кількох структурних елементів Всесвіту. Так, наприклад, збільшення маси електрона m 0 від ~ 0,5 МеВ до 0,9 МеВ порушить енергетичний баланс реакції утворення дейтерію в сонячному циклі і призведе до дестабілізації стабільних атомів і ізотопів. Дейтерій - атом водню, що складається з протону та нейтрону. Це «важкий» водень з А = 2 (тритій має А = 3). лише на 40% призвело б до того, що дейтерій був би нестабільний. Збільшення зробить стабільним біпротон, що призведе до вигоряння водню на ранніх стадіях еволюції Всесвіту. Константа змінюється не більше 1/170< < 1/80. Другие значения приводят к невозможности должного отталкивания протонов в ядрах, а это ведет к нестабильности атомов. Увеличение призвело до зменшення часу життя вільних нейтронів. Це означає, що на ранній стадії Всесвіту гелій не утворився б і не було б реакції злиття частинок при синтезі вуглецю 3α -> 12С. Тоді замість нашої вуглецевої був би водневий Всесвіт. Зменшення призвело б до того, що всі протони були б пов'язані в α частинки (гелієвий Всесвіт).

У сучасному природознавстві передбачається, що світові константи стабільні починаючи з часу 10 -35 з моменту народження Всесвіту і що, таким чином, у нашому Всесвіті ніби існує дуже точна «підгонка» числових значень світових констант, що зумовлюють необхідні значення для існування ядер, атомів , зірок та галактик. Виникнення та існування такої ситуації не зрозуміло. Таке «припасування» (константи саме такі, які вони є!) створює умови для існування не тільки складних неорганічних, органічних, а й живих організмів, у тому числі й людини. П. Дірак висловив ідею про спільну зміну у часі фундаментальних констант. В цілому можна вважати, що різноманіття та єдність фізичного світу, його порядок і гармонія, передбачуваність та повторюваність формуються та керуються системою небагатьох фундаментальних констант.

Порядок- перший закон Небес.

Олександр Поп

Фундаментальні світові постійні - це такі константи, які дають інформацію про найбільш загальні, основні властивості матерії. До таких, наприклад, відносяться G, с, е, h, m e та ін. Загальне, що поєднує ці константи, - це інформація, що міститься в них. Так, гравітаційна стала G є кількісною характеристикою універсального, властивого всім об'єктам Всесвіту взаємодії - тяжіння. Швидкість світла є максимально можлива швидкість поширення будь-яких взаємодій у природі. Елементарний заряд е - це мінімально можливе значення електричного заряду, що існує в природі у вільному стані (що володіють дробовими електричними зарядами кварки, мабуть, у вільному стані існують лише в надщільній та гарячій кварк-глюонній плазмі). Постійна

Планка h визначає мінімальну зміну фізичної величини, яка називається дією, і відіграє фундаментальну роль у фізиці мікросвіту. Маса спокою m е електрона є характеристикою інерційних властивостей найлегшої стабільної зарядженої елементарної частинки.

Константою деякої теорії ми називаємо значення, що у рамках цієї теорії вважається завжди незмінним. Наявність констант при висловлювання багатьох законів природи відображає відносну незмінність тих чи інших сторін реальної дійсності, що виявляється в наявності закономірностей.

Самі фундаментальні постійні с, h, e, G та ін є єдиними для всіх ділянок Метагалактики і з часом не змінюються, тому їх називають світовими постійними. Деякі комбінації світових постійних визначають щось важливе в структурі об'єктів природи, а також формують ряд фундаментальних теорій.

визначає розмір просторової оболонки для атомних явищ (тут m е - маса електрона), а

Характерні енергії цих явищ; квант для великомасштабного магнітного потоку в надпровідниках задається величиною

гранична маса стаціонарних астрофізичних об'єктів визначається комбінацією:

де m N – маса нуклону; 120

весь математичний апарат квантової електродинаміки ґрунтується на факті існування малої безрозмірної величини

визначальною інтенсивність електромагнітних взаємодій.

Аналіз розмірності фундаментальних постійних призводить до нового розуміння проблеми в цілому. Окремі розмірні фундаментальні постійні, як зазначалося вище, грають певну роль структурі відповідних фізичних теорій. Коли йдеться про вироблення єдиного теоретичного опису всіх фізичних процесів, формування єдиної наукової картини світу, розмірні фізичні постійні поступаються місцем безрозмірним фундаментальним константам таким як Роль цих

постійних у формуванні структури та властивостей Всесвіту дуже велика. Постійна тонка структура є кількісною характеристикою одного з чотирьох видів фундаментальних взаємодій, що існують в природі - електромагнітного. Крім електромагнітної взаємодії іншими фундаментальними взаємодіями є гравітаційна, сильна і слабка. Існування безрозмірної константи електромагнітної взаємодії

Передбачає, очевидно, наявність аналогічних безрозмірних констант, є характеристиками трьох типів взаємодій. Ці константи також характеризуються такими безрозмірними фундаментальними постійними - константа сильної взаємодії - Константа слабкої взаємодії:

де величина – постійна Фермі

для слабких взаємодій;

константа гравітаційної взаємодії:

Числові значення констант визначають

відносну "силу" цих взаємодій. Так, електромагнітна взаємодія приблизно в 137 разів слабша за сильну. Найслабшою є гравітаційна взаємодія, яка у 10 39 менша за сильну. Константи взаємодії визначають також, наскільки швидко йдуть перетворення одних частинок на інші в різних процесах. Константа електромагнітної взаємодії визначає перетворення будь-яких заряджених частинок на ті ж частинки, але із зміною стану руху плюс фотон. Константа сильної взаємодії є кількісною характеристикою взаємних перетворень баріонів за участю мезонів. Константа слабкої взаємодії визначає інтенсивність перетворень елементарних частинок у процесах за участю нейтрино та антинейтрино.

Необхідно відзначити ще одну безрозмірну фізичну константу, що визначає розмірність фізичного простору, яку позначимо через N. Для нас є звичним те, що фізичні події розігруються у тривимірному просторі, тобто N = 3, хоча розвиток фізики неодноразово призводив до появи понять, не що укладаються в "здоровий глузд", але відображають реальні процеси, що існують у природі.

Отже, " класичні " розмірні фундаментальні постійні грають визначальну роль структурі відповідних фізичних теорій. З них формуються фундаментальні безрозмірні постійні єдині теорії взаємодій - Ці константи та деякі інші, а також розмірність простору N визначають структуру Всесвіту та його властивості.