Въпреки че бяха необходими векове, науката стигна до основата, до това, от какво се състои нашата Вселена.

Известните частици от Стандартния модел включват цялата нормална материя, за която знаем, и има четири основни взаимодействия, които изпитват: силните и слабите ядрени сили, електромагнитната сила и силата на гравитацията. Когато поставим тези частици на върха на тъканта на пространство-времето, тъканта се изкривява и се развива в съответствие с енергията на тези частици и законите на Общата теория на относителността на Айнщайн, докато квантовите полета, които те генерират, проникват в цялото пространство.

Но колко силни са тези взаимодействия и какви са елементарните свойства на всяка от тези известни частици?

Нашите правила и уравнения, колкото и мощни да са, не ни казват цялата информация, от която се нуждаем, за да знаем тези отговори. Имаме нужда от допълнителен параметър, за да отговорим на много от тези въпроси: параметър, който трябва просто да измерим, за да знаем какво представлява. Всеки такъв параметър се превръща в необходима фундаментална константа, за да се опише напълно нашата Вселена. Но колко основни константи са останали днес? Това е въпросът, на който отговаря астрофизикът Итън Сийгъл в своя блог "Starts With A Bang":

"Какво е определението за [фундаментална] физическа константа и колко са сега?"

Това е труден въпрос без окончателен отговор, защото дори най-доброто описание, което може да се даде на Вселената, е едновременно непълно, но може и да не е най-простото. 

Тази схема на частиците и взаимодействията описва подробно как частиците от Стандартния модел си взаимодействат според трите основни сили, които квантовата теория на полето описва. Когато гравитацията се добави към сместа, ние получаваме наблюдаваната Вселена, която виждаме, със законите, параметрите и константите, които знаем, че я управляват. Въпреки това, много от параметрите, на които природата се подчинява, не могат да бъдат предвидени от теорията, те трябва да бъдат измерени, за да бъдат известни, и това са "константи", които нашата Вселена изисква, доколкото ни е известно. Кредит : Образователен проект по съвременна физика/DOE/SNF/LBNL

Как всяка частица може да взаимодейства с друга?

Една от най-простите фундаментални частици е електронът: най-леката заредена точкова частица. Ако срещне друг електрон, той ще взаимодейства с него по различни начини и като изследваме възможните му взаимодействия, можем да разберем идеята къде се нуждаем от "фундаментална константа", за да обясним някои от тези свойства. Електроните, например, имат фундаментален заряд, свързан с тях, e и фундаментална маса, m.

• Тези електрони ще се привличат гравитационно един друг пропорционално на силата на гравитационната сила между тях, която се управлява от универсалната гравитационна константа: G.
• Тези електрони също ще се отблъскват един друг електромагнитно, обратно пропорционално на силата на диелектричната проницаемост на свободното пространство, ε.

Има и други константи, които също играят основна роля в поведението на тези частици. Ако искате да знаете колко бързо се движи електрон през пространство-времето, той има фундаментална граница: скоростта на светлината, c. Ако принудите да възникне квантово взаимодействие, да речем, между електрон и фотон, ще се натъкнете на фундаменталната константа, свързана с квантовите преходи: константата на Планк,  ħ. Има слаби ядрени взаимодействия, в които електронът може да участва, като например улавяне на ядрен електрон, които изискват допълнителна константа, за да обяснят силата на тяхното взаимодействие. И въпреки че електронът не се ангажира с тях, има и възможност за силно ядрено взаинодействие между различен набор от частици: кварките и глуоните.

Разпадането на положително и отрицателно заредените пиони, показани тук, протича на два етапа. Първо комбинацията кварк/антикварк обменя W-бозон, произвеждайки мюон (или антимюон) и мю-неутрино (или антинеутрино), а след това мюонът (или антимюон) се разпада отново през W-бозон, произвеждайки неутрино, антинеутрино и електрон или позитрон в края. Това е ключовата стъпка в създаването на неутрино, а също и в производството на космически лъчи на мюони, ако приемем, че мюоните оцеляват достатъчно дълго, за да достигнат повърхността. Слабите, силните, електромагнитните и гравитационните взаимодействия са единствените, за които знаем в момента. Кредит: E. Siegel

Всички тези константи обаче имат прикрепени към тях единици: те могат да бъдат измерени в единици като кулони, килограми, метри в секунда или други количествено измерими физически величини. Тези единици са произволни и са артефакт за това как като хора ги измерваме и интерпретираме.

Когато физиците говорят за наистина фундаментални константи, те осъзнават, че няма присъщо значение на идеи като "дължина на метър" или "времеви интервал от секунда", или "маса на килограм", или друга стойност.

Можем да работим във всякакви единици, които ни харесват, и законите на физиката щяха да се държат по същия начин. Всъщност можем да формулираме всичко, което някога бихме искали да знаем за Вселената, без изобщо да дефинираме фундаментална единица за "маса", "време" или "разстояние". Бихме могли да опишем изцяло законите на природата, като използваме само константи, които са безразмерни.

Безразмерното е проста концепция: означава константа, която е просто чисто число, без метри, килограми, секунди или други "измерения" в тях. Ако тръгнем по този път, за да опишем Вселената и да получим правилните фундаментални закони и начални условия, естествено трябва да извлечем всички измерими свойства, които можем да си представим. Това включва неща като маса на частиците, сила на взаимодействие, ограничения на космическата скорост и дори фундаменталните свойства на пространство-времето. Просто бихме дефинирали техните свойства по отношение на тези безразмерни константи.

Днес диаграмите на Файнман се използват при изчисляването на всяко фундаментално взаимодействие, обхващащо силните, слабите и електромагнитните взаимодействия, включително при високоенергийни и нискотемпературни/кондензирани условия. Включването на "циклични" диаграми от по-висок порядък води до по-прецизни, по-точни приближения на истинската стойност на количествата в нашата Вселена. Различните константи на свързване определят много от свойствата на нашата Вселена в рамките на структурата на Стандартния модел, но стойността на тези свързвания трябва да бъде експериментално измерена. Кредит : VS de Carvalho и H. Freire, Nucl. Phys. Б, 2013 г

Тогава може да се запитате как бихте могли да опишете неща като "маса" или "електрически заряд" с безразмерна константа. Отговорът се крие в структурата на нашите теории за материята и как тя се държи: теориите за четирите ни фундаментални взаимодействия. Тези взаимодействия, известни също като фундаментални сили, са:

• силната ядрена сила,
• слабата ядрена сила,
• електромагнитната сила,
• и гравитационната сила,

всички от които могат да бъдат преработени или във формат на квантовата теория на полето (т.е. частиците и техните квантови взаимодействия), или в общ релативистичен формат (т.е. кривината на пространство-времето).

Ако погледнете частиците от Стандартния модел, може да си помислите: "О, Боже, вижте техните електрически заряди. Някои имат заряд, който е зарядът на електрона (като електрона, мюона, тау и W-бозона), някои имат заряд, който е ⅓ от заряда на електрона (долните, странните и дънните кварки), някои имат заряд, който е - ⅔ от заряда на електрона (горните, чаровните и върховните кварки), а други са неутрални. И тогава, на всичкото отгоре, всички античастици имат противоположен заряд на "версията на частиците"."

Но това не означава, че всяка ччастица се нуждае от собствена константа. Структурата на Стандартния модел (и по-специално на електромагнитната сила в рамките на Стандартния модел) ни дава зарядите на всяка частица по отношение една на друга. Докато разполагаме структурата на Стандартния модел, само една константа - електромагнитното свързване на частици в рамките на Стандартния модел - е достатъчна, за да опише електрическите заряди на всяка известна частица.

Според Стандартния модел лептоните и антилептоните трябва да бъдат отделни, независими частици една от друга. Но трите вида неутрино се смесват заедно, което показва, че те трябва да имат маса и освен това, че неутрино и антинеутрино може всъщност да са една и съща частица: фермиони на Майорана. Кредит: E. Siegel/Отвъд галактиката

За съжаление Стандартният модел – дори Стандартният модел плюс Общата теория на относителността – не ни позволяват да опростим всеки описателен параметър по този начин.

"Масата" е пословично трудна: такава, при която нямаме механизъм за взаимно свързване на различните маси на частиците една с друга. Стандартният модел не може да го направи - всяка масивна частица се нуждае от собствено уникално (Yukawa) свързване с Хигс и това уникално свързване е това, което позволява на частиците да получат ненулева маса на покой.

Дори в Теорията на струните, предполагаемият начин за конструиране на "теория на всичко", която успешно описва всяка частица, сила и взаимодействие в рамките на една всеобхватна теория, не може да направи това. Взаимодействията на Юкава просто се заменят с "очаквани стойности на вакуума", които отново не могат да бъдат извлечени. Човек трябва да измери тези параметри, за да ги разбере. (Взаимодействието на Юкава се използа в рамките на Стандартния модел за описване на връзката между хигсовото поле и безмасовите полета на кварките и електроните. Чрез механизма на спонтанното нарушение на симетрията фермионите придобиват маса, пропорционална на средно очакваните стойности на полето на Хигс)

Ето разбивка на това колко безразмерни константи са необходими, за да опишем Вселената до най-доброто от нашето разбиране, включително:

• какво ни дават тези константи,
• какви възможности има за намаляване на броя на константите, за да се извлече същото количество информация,
• и какви пъзели остават без отговор в настоящата ни рамка, дори предвид тези константи.

Това е отрезвяващо напомняне както за това колко далече сме стигнали, така и за това колко далеч все още трябва да стигнем, за да имаме пълно разбиране на всичко, което е във Вселената.

Работата на трите основни константи на взаимодействията (електромагнитно, слабо и силно) с енергията, в Стандартния модел (вляво) и с включен нов набор от суперсиметрични частици (вдясно). Фактът, че трите линии почти се срещат, е предположение, че те може да се срещнат, ако бъдат открити нови частици или взаимодействия извън Стандартния модел, но движението на тези константи е напълно в рамките на очакванията само за Стандартния модел. Важно е, че напречните сечения се променят като функция на енергията и ранната Вселена е била много енергийна по начини, които не са били повторени след горещия Голям взрив. Кредит: W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. (2006)

1.) Константата на фината структура (α) или силата на електромагнитното взаимодействие. От гледна точка на някои от физическите константи, с които сме по-запознати, това е съотношението на елементарния заряд (на, да речем, един електрон) на квадрат към константата на Планк и скоростта на светлината. Тази комбинация от константи заедно ни дава безразмерно число, което може да се изчисли. При енергиите, присъстващи в момента в нашата Вселена, това число e ≈ 1/137.036, въпреки че силата на това взаимодействие нараства с нарастването на енергията на взаимодействащите частици. В комбинация с някои от другите константи, това ни позволява да изведем електрическия заряд на всяка елементарна частица, както и взаимодействието ѝ с фотона. (вж "Отговорът не е 42, а 1/137")

2.) Константата на силното взаимодействие, която определя силата на силното взаимодействие, която държи отделните бариони (като протони и неутрони) заедно, както и остатъчната сила, която им позволява да се свързват заедно в сложни комбинации от атомни ядра. Начинът, по който работи силното взаимодействие, е много различен от електромагнетизма или гравитацията - то става по-силно с увеличаване на разстоянието и отслабва, когато се  се доближат произволно близо една до друга две взаимодействащи частици. Въпреки това, силата на това взаимодействие все още може да бъде параметризирана от една фундаментална константа. Тази константа на нашата Вселена също, подобно на електромагнитната, силно зависи от енергията на взаимодействащите частици. Константата α_s на силното взаимодействие e  α_s≈ 1 на дълги разстояния и α_s< 1 - на къси разстояния.

Масите на покой на фундаменталните частици във Вселената определят кога и при какви условия могат да бъдат създадени и също така описват как ще изкривят пространство-времето в Общата теория на относителността. Свойствата на частиците, полетата и пространство-времето са необходими, за да опишем Вселената, която обитаваме, но действителните стойности на тези маси не се определят от самия Стандартен модел - те трябва да бъдат измерени, за да бъдат разкрити. Кредит: Universe-review

3.) до 17.) 15-те връзки с Хигс на 15-те частици от стандартния модел с ненулева маса на покой. Всеки от шестте кварка (горен, долен, странен, чаровен, дънен и върховен), всичките шест лептона (включително  електрон, мюон и тау плюс трите неутрални неутрино), W-бозона, Z- бозонът и бозонът на Хигс, всички имат положителна, ненулева маса на покой. За всяка от тези частици е необходимо свързване - включително, за Хигс, самосвързване - за отчитане на стойностите на масата, която притежава всяка от масивните частици на Стандартния модел.

От една страна е чудесно, че няма нужда от отделна константа, за да отчетем силата на гравитацията, но също така е и разочароващо положението с масата. Мнозина се надяваха, че ще има връзка, която можем да открием между различните маси на частиците. Един такъв опит, формулата на Койде, е изглеждал като обещаващ път през 80-те години, но очакваните отношения се оказват само приблизителни. В детайли прогнозите на формулата се разпадат.

По същия начин, сблъсък на електрони с позитрони при определена енергия - половината от енергията на масата на покой на всеки Z-бозон - ще създаде Z-бозон. Сблъсъкът на електрон със същата енергия с позитрон в покой ще създаде двойка мюон-антимюон в покой, любопитно съвпадение. Само че и това е приблизително вярно. Действителната необходима енергия на мюон-антимюон е около 3% по-малка от енергията, необходима за създаване на Z-бозон. Тези малки разлики са важни и показват, че не се знае как да се стигне до масите на частиците без отделна фундаментална константа за всяка такава масивна частица.

Въпреки че глуоните обикновено се визуализират като пружини, важно е да се признае, че те носят цветни заряди със себе си: комбинация цвят-антицвят, способна да променя цветовете на кварките и антикварките, които ги излъчват или поглъщат. Електростатичното отблъскване и привличане на силна ядрена сила в тандем са това, което придава на протона неговия размер, а свойствата на смесването на кварките са необходими, за да се обясни наборът от свободни и съставни частици в нашата Вселена. Кредит: APS/Alan Stonebraker

18.) до 21.) Параметри на смесване на кварките. Има шест типа масивен кварк и две двойки от по три - горен-чаровен-върховен (up-charm-top) и долен-странен-дънен (down-strange-bottom) - всичките имат еднакви квантови числа: същия спин, същия цветен заряд, същия електрически заряд, същия слаб хиперзаряд и слаб изоспин и т.н. Единствените разлики, които имат, са различните им маси и различното "номер поколение", в което попадат.

Фактът, че имат едни и същи квантови числа, им позволява да се смесват и се изисква набор от четири параметъра, параметри от CKM смесващата матрица  (Cabibbo-Kobayashi–Maskawa матрица), създадена от трима физици, Кабибо, Кобаяши и Маскава, за да опишат конкретно как те се смесват, позволявайки им да осцилират един в друг.

Всеки кварк има предпочитание да се превърне в кварк от собственото си поколение. Относителните тенденции на всички ароматни трансформации са описани от тази матрица.

Схема: gravity.wikia

Градиентът на слабите взаимодействия между шестте кварка е показан на схемата вляво.Интензитетът на линиите се определя от елементите на матрицата CKM:

Това е жизненоважен процес от съществено значение за слабото взаимодействие и се проявява в измерването на това как:

• по-масивните кварки се разпадат на по-малко масивни,
• как възниква нарушение на CP симетрията (зарядова и огледална симетрията) при слабите взаимодействия,
• и как работи радиоактивното разпадане като цяло.

Шестте кварка, всички заедно, изискват три ъгъла на смесване и една сложна фаза, нарушаваща CP, за да опишат, и тези четири параметъра са допълнителни четири основни, безразмерни константи, които не можем да извлечем, но трябва да бъдат измерени експериментално.

Тази схема показва структурата на Стандартния модел (по начин, който показва ключовите връзки и модели по-пълно и по-малко подвеждащо, отколкото в по-познатото изображение, базирано на квадрат 4×4 от частици). По-конкретно, тази схема изобразява всички частици в Стандартния модел (включително техните имена на букви, маси, спинове, хиралност, заряди и взаимодействия с калибровъчните бозони: т.е. със силните и електрослабите сили). Тя също така изобразява ролята на бозона на Хигс и структурата на нарушаване на електрослабата симетрия, показвайки как очакваната стойност на вакуума на Хигс нарушава електрослабата симетрия и как свойствата на останалите частици се променят като следствие. Масите на видовете неутрино остават необяснени. Кредит: Latham Boyle / Mardus/Wikimedia Commons

22.) до 25.) Параметрите на смесване на неутрино. Подобно на кварковия сектор, има четири параметъра, които подробно описват как неутриното преминава от един вид в друг, като се има предвид, че трите вида неутрино имат едно и също квантово число. Въпреки че физиците първоначално се надяваха, че неутриното ще бъде без маса и няма да изисква допълнителни константи (сега те са част от 15-те, а не 12-те константи, необходими за описване на масите на частиците от Стандартния модел), природата има други планове. Проблемът със слънчевото неутрино - където само една трета от неутриното, излъчвано от Слънцето, пристигаше тук на Земята - бе една от най-големите главоблъсканици на 20-ти век.

Тя е решена едва когато се разбра, че частиците неутрино:

• имаше много малки, но ненулеви маси,
• са смесени заедно,
• и се колебаят (осцилират) от един вид в друг.

Смесването на кварките се описва от три ъгъла и една комплексна фаза, нарушаваща СР, а смесването на неутриното се описва по същия начин, като тази специфична PMNS матрица на името на четиримата физици, които са я открили и разработили - матрица на Понтекорво–Маки–Накагава–Саката (Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata matrix) и със стойности, които са напълно независими от параметрите на смесване на кварките. Въпреки че всичките четири параметъра са експериментално определени за кварките, ъглите на смесване на неутриното вече са измерени, но фазата, нарушаваща CP за неутриното, все още е изключително слабо определена към 2023 г.

Далечните съдби на Вселената предлагат редица възможности, но ако тъмната енергия наистина е константа, както показват данните, тя ще продължи да следва червената крива, водеща до дългосрочния сценарий: за евентуалната топлинна смърт на Вселената. Ако тъмната енергия се развива с времето, Големият разрив (Big Rip) или Големият срив (Big Crunch) все още са допустими, но ние нямаме никакви доказателства, които да показват, че тази еволюция е нещо повече от празни спекулации. Ако тъмната енергия не е константа, ще е необходим повече от 1 параметър, за да се опише. Кредит: NASA/CXC/M. Weiss

26.) Космологичната константа. Фактът, че живеем в богата на тъмна енергия Вселена, изисква поне един допълнителен фундаментален параметър след тези, които вече изброихме, а най-простият параметър е константа: космологичната константа на Айнщайн. Тя не се очакваше, но трябва да се отчете и няма начин да се направи това, без да се добави допълнителен параметър в рамките на сегашното ни разбиране за физиката.

Дори и с това все още има поне четири допълнителни загадки, заради които се налага да се добавят още по-фундаментални константи, за да се обяснят напълно. Те включват:

1. Проблемът с асиметрията материя-антиматерия, известен още като бариогенеза. Защо нашата Вселена е съставена предимно от материя, а не от антиматерия, когато взаимодействията, за които знаем, винаги запазват броя на барионите (спрямо антибарионите) и лептоните (спрямо антилептоните)? Това вероятно изисква нова физика и евентуално нови константи, за да се обясни.
2. Проблемът с космическата инфлация или фазата на Вселената, която предхожда и създава горещия Голям взрив. Как се е появила инфлацията и какви свойства е имала, за да позволи на нашата Вселена да се появи такава, каквато е? Вероятно ще са необходими поне един, а потенциално и повече нови параметри.
3. Проблемът с тъмната материя. Направена ли е от частица? Ако е така, какви са свойствата и връзките на тази частица? Ако се състои от повече от един тип частици (или поле), вероятно ще има повече от една нова фундаментална константа, необходима за тяхното описание.
4. Проблемът защо има само CP-нарушение в слабите взаимодействия, а не в силните. Има един принцип във физиката – т.нар. тоталитарен принцип – който гласи, че "всичко, което не е забранено, е задължително да се случи". В Стандартния модел нищо не забранява CP-нарушение нито при слабите, нито при силните ядрени взаимодействия, но се го наблюдава само при слабите взаимодействия. Ако се появи в силните взаимодействия, ще има нужда от допълнителен параметър, за да се опише, ако не го направи, вероятно ще има нужда от допълнителен параметър, за да се ограничи.

Смяната на частиците с античастици и отразяването им в огледало едновременно представлява CP-симетрията. Ако антиогледалните разпади са различни от нормалните разпади, CP е нарушена. Симетрията на обръщане на времето, известна като T, също трябва да бъде нарушена, ако CP- симетрията е нарушена. Никой не знае защо нарушението на CP, което е напълно позволено да се случи както при силните, така и при слабите взаимодействия в Стандартния модел, се появява само експериментално при слабите взаимодействия. Кредит: E. Siegel//Beyond the Galaxy

Ако дадете на един физик законите на физиката, началните условия на Вселената и гореспоменатите 26 константи, той може успешно да симулира и изчисли прогнози за всеки аспект на Вселената, който желаете, до границите на вероятностния характер на резултатите. Изключенията са малко, но важни: все още не можем да обясним защо има повече материя от антиматерия във Вселената, как горещият Голям взрив е създаден от космическата инфлация, защо съществува тъмна материя или какви са нейните свойства и защо няма CP-нарушение при силните взаимодействия. Това е невероятно успешен набор от открития, но разбирането ни за космоса остава непълно.

Какво ще крие бъдещето? Дали една бъдеща, по-добра теория ще намали броя на фундаменталните константи, от които се нуждаем, както формулата на Койде мечтае да направи? Или ще се окаже, че ще се открият още явления (като масивни неутрино, тъмна материя и тъмна енергия), които изискват да се добавят още по-голям брой параметри към нашата Вселена?

Въпросите са такива, на които не може да се отговори днес, но е важно да продължим да си ги задаваме. В края на краищата физиците имат свои собствени идеи за това какво е "елегантно" и "красиво", когато става дума за физика, но дали Вселената е фундаментално проста или сложна е нещо, на което физиката не може да отговори днес. Необходими са 26 константи, за да се опише Вселената, каквато я познаваме в момента, но дори този голям брой свободни параметри или фундаментални константи не могат да обяснят напълно всичко, което съществува.

Източник: Ask Ethan: How many constants define our Universe?, Ethan Siegel, STARTS WITH A BANG

Още по темата

17/07/2023

Космос

Нов космологични модел на Вселената й дава възраст 26,7 млрд години, двойно повече от досега

11/07/2023

Физика

Преосмисляне на реалността: Дали цялата Вселена не е един-единствен квантов обект?

10/02/2022

Космос

Дали идеята, че вселената ни е „фино настроена“, е илюзия?

10/11/2019

Физика

Отговорът не е 42, а 1/137