Група бразилски изследователи представят иновативно предложение за разрешаване на десетилетен дебат сред теоретичните физици: Колко фундаментални константи са необходими, за да се опише наблюдаемата Вселена? Тук терминът "фундаментални константи" се отнася до основните мерни единици (еталони), необходими за измерване на всичко.
Изследването е публикувано в списание Scientific Reports. В изследването участват Жоржи Матсас (George Matsas) и Висенчи Плейтес (Vicente Pleitez), и двамата от Института по теоретична физика към Държавния университет на Сао Пауло (IFT-UNESP), както и Алберто Саа (Alberto Saa) от Института по математика, статистика и научни изчисления към Държавния университет на Кампинас (IMECC-UNICAMP) и Даниел Ванзела (Daniel Vanzella) от Института по физика "Сао Карлос" към Университета на Сао Пауло (IFSC-USP).
Авторите на групата твърдят, че броят на фундаменталните константи зависи от типа пространство-време, в което са формулирани теориите; и че в релативисткото пространство-време този брой може да бъде сведен до една единствена константа, която се използва за определяне на еталона за време.
Изследването е оригинален принос към полемиката, предизвикана през 2002 г. от известната статия на Майкъл Дъф (Michael Duff), Лев Окун (Lev Okun) и Габриеле Венециано (Gabriele Veneziano), публикувана в Journal of High Energy Physics.
Цялата история започва десет години по-рано, през лятото на 1992 г., когато тримата учени се срещат на терасата на кафенето в ЦЕРН, Европейската организация за ядрени изследвания. По време на неофициален разговор те откриват, че не са на едно мнение за броя на фундаменталните константи.
"През лятото на 2001 г. се върнахме към темата и открихме, че мненията ни все още се различават. Затова решихме да обясним позициите си", пишат тримата в резюмето на статията си.
Накратко, Окун заявява, че за измерването на всички физични величини са необходими три основни единици - метър (дължина), килограм (маса) и секунда (време). С други думи, той потвърждава така наречената система MKS (M - метър; K - килограм; S - секунда), която по-късно е включена в Международната система единици (SI). Венециано от своя страна твърди, че в определени случаи са достатъчни две единици: една за време и една за дължина. Дъф остава неопределен, заявявайки, че броят на константите може да варира в зависимост от съответната теория.
"Целта е да се намери възможно най-фундаменталното описание на физиката. Въпросът, повдигнат от Окун, Дъф и Венециано, в никакъв случай не е тривиален. Като физици ние сме изправени пред необходимостта да разберем какъв е минималният брой еталони, от които се нуждаем, за да измерим всичко", отбелязва Матсас, обяснявайки новата статия.
Бразилските изследователи твърдят, че броят на фундаменталните константи зависи от пространство-времето, в което се разглеждат физичните величини. Те анализират два вида пространство-време: Галилеево, върху което Исак Нютон (1642-1727) изгражда класическата механика; и релативистко, което е основа за Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн (1879-1955).
Съществуват няколко релативистични пространство-времена, които съответстват на различни решения на уравненията на Айнщайн. Най-простото от тях е пространство-времето на Минковски, наречено на родения в Германия еврейско-литовски математик Херман Минковски (1864-1909). Това е пространство-време, което е празно (без частици и всичко останало), хомогенно (в което всички точки имат еднакви свойства) и изотропно (в което всички пространствени посоки са равнопоставени). За улеснение във въпросната статия се използва пространство-времето на Минковски. Авторите обаче посочват, че техните заключения могат да бъдат обобщени за всяко релативистично пространство-време.
"В Галилеевото пространство-време се нуждаем от линийки и часовници, за да измерим всички физически променливи. В релативисткото пространство-време обаче са достатъчни само часовници. Това е така, защото в релативизма пространството и времето са толкова взаимосвързани, че една единствена мерна единица е достатъчна за описание на всички величини. Високопрецизните часовници, като например използваните днес атомни часовници, са в състояние да задоволят всички нужди от измерване", обяснява Матсас.
Както виждате от предишното изречение, дори в Галилеевото пространство-време вече е възможно опростяване на основните величини, при което се пропуска масата.
"В исторически план, въз основа на усилията за стандартизация, приети по време на Френската революция (1789-1799 г.), килограмът е определен като масата на един литър чиста вода при дадено налягане и температура. От практическа гледна точка е много удобно да има стандарт за маса, но от фундаментална гледна точка това не е необходимо", посочва Ванзела. "Масата на дадено тяло се определя от ускорението, с което се привлича частица, когато тя се намира на определено разстояние от масата."
В настоящата си версия Международната система единици (SI) използва седем основни единици: метър (дължина), секунда (време), килограм (маса), келвин (температура), ампер (електрически ток), кандела (интензитет на светлината) и мол (брой молекули или атоми).
"Но тези мерни единици са основни само защото служат за практически цели. Например, ако някой трябва да си купи електрическа крушка, броят на канделите му казва колко интензивна светлина трябва да осигурява крушката. Отдавна обаче е известно, че сред тези единици има излишни. Това означава, че много от тях могат да бъдат определени въз основа на други. След преглед, извършен през 2019 г., тези мерни единици вече са свързани с природни константи, като например скоростта на светлината [c] и константата на Планк [h]", разказва Матсас.
Според критериите, използвани от Дъф, Окун и Венециано, броят на фундаменталните константи е свързан с минималния брой независими мерни единици, необходими за изразяване на всички физични величини. Да повторим, в пространство-времето на Галилей всички наблюдаеми величини могат да бъдат изразени с единици за време и пространство, които обикновено са "секунда" и "метър". В релативисткото пространство-време единицата за време, т.е. "секундата", е достатъчна за изразяване на всяка наблюдаема величина.
А определението за "секунда" понастоящем се основава на една естествена константа: разликата в енергията между две специфични нива на електронния слой на цезий-133. Една секунда (1s) съответства на времето от 9 192 631 770 колебания на излъчването, което се излъчва, когато електронът преминава между тези две състояния на цезий-133.
"Всеки артефакт, способен редовно да отчита 9 192 631 770 осцилации на това излъчване, ще е измерил 1s и може да се счита за верен часовник", обяснява Матсас.
Накратко, в релативисткото пространство-време (което е пространство-времето, в което според въпросното изследване живеем) всяка физическа величина може да бъде измерена в "секунда", която е единицата за време. Времето е променлива величина, защото постоянно се променя, но "секундата" се определя от константа, свързана с определено енергийно ниво в електронния слой на атома цезий-133.
"Присъдата, че дадена наблюдаема величина е или не е природна константа, е абсолютна, защото е обявена от верните часовници, които трябва да съществуват, за да има смисъл самата концепция за пространство-времето. Но изборът на това коя "фундаментална константа" се използва за определянето им е социална и историческа конструкция, която зависи от удобството", коментира Ванзела.
Справка: George E. A. Matsas et al, The number of fundamental constants from a spacetime-based perspective, Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-71907-0
Източник: Study claims all observables in nature can be measured with a single constant: The second, FAPESP
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари