Физики считают, что для измерения всего достаточно одной константы — секунды

В 2002 году ученые из ЦЕРН (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям, занимающаяся вопросами фундаментальной физики) поняли, что не имеют общего мнения по вопросу необходимого минимума констант для описания всей наблюдаемой Вселенной. Это оказалось неожиданностью: специалисты высокого уровня изучали одну и ту же реальность на сложных и точных приборах, но при этом не сходились в том, какие величины им действительно нужны.

«Фундаментальные константы» — величины, численные значения которых не зависят от внешних параметров и не меняются со временем. Имея некоторый набор констант, можно рассчитать все остальные величины.

Ученые из ЦЕРН Майкл Дафф, Лев Окунь и Габриель Венециано (Michael Duff, Lev Okun and Gabriele Veneziano) изложили свои мнения в статье, где каждый описал собственную парадигму. Первая требует трех констант: метра, килограмма и секунды. Второй парадигме нужны только секунда и метр, а для третьей количество констант может варьироваться в зависимости от рассматриваемой теории.

Теперь бразильские исследователи утверждают, что количество фундаментальных констант зависит от пространства-времени, в котором рассматриваются физические величины. Они считают, что могут описать все возможные наблюдения за реальностью с помощью только единицы времени, секунды.

В нынешней версии Международной системы единиц (СИ) используются семь основных единиц: метр (длина), секунда (время), килограмм (масса), кельвин (температура), ампер (электрический ток), кандела (световая сила) и моль (число молекул или атомов). Каждая из них определяется через физическую константу.

«Эти единицы основные только с практической точки зрения. Например, если человеку нужно купить лампочку, количество кандел укажет, насколько интенсивным будет ее свет. При этом часть единиц можно определить через другие», — отметил профессор теоретической физики Джордж Матсас (George Matsas).

Цель новой статьи — найти максимально фундаментальное описание физики, понять, какое минимальное количество констант необходимо для измерения всего.

Согласно критериям, использованным Даффом, Окунем и Венециано, количество фундаментальных констант связано с минимальным количеством независимых стандартов, необходимых для выражения всех физических величин. Исследователи проанализировали два типа пространства-времени: галилеево, основу классической механики, и релятивистское — базу для Общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

В галилеевом пространстве-времени все наблюдаемые величины могут быть выражены через единицы времени и пространства, обычно это «секунда» и «метр».

Однако в релятивистском пространстве-времени достаточно только часов, то есть «секунд». В теории относительности пространство и время настолько взаимосвязаны, что для описания всех величин достаточно одной единицы. Высокоточные атомные часы, используемые сегодня, способны удовлетворить все потребности в измерениях.

Определение «секунды» сегодня основано на природной константе — разнице энергии между двумя специфическими уровнями электронного слоя атома цезия-133. Одна секунда (1 с) — время 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями энергии основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 K.

Существует несколько релятивистских пространств-времен, соответствующих различным решениям уравнений Эйнштейна. Самое простое из них — пространство-время Минковского, оно пустое (без частиц или других объектов), однородное (все точки обладают одинаковыми свойствами) и изотропное (все направления в пространстве эквивалентны). Именно на его примере исследователи изложили свой подход. Авторы отметили, что их выводы могут быть обобщены на любое релятивистское пространство-время. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.