Časová variace základních konstant - Time-variation of fundamental constants

Termín fyzická konstanta vyjadřuje pojem a Fyzické množství podléhá experimentálnímu měření, které je nezávislé na čase nebo místě experimentu. Stálost (neměnnost) jakékoli „fyzikální konstanty“ je tedy předmětem experimentálního ověření.

Paul Dirac v roce 1937 spekuloval že fyzikální konstanty jako gravitační konstanta nebo konstanta jemné struktury se mohou časem měnit v poměru k věk vesmíru.[1] Od té doby provedené experimenty stanovily horní meze jejich časové závislosti. To se týká konstanta jemné struktury, gravitační konstanta a hmotnostní poměr proton k elektronu konkrétně u všech stále probíhá úsilí o zlepšení testů jejich časové závislosti.[2]

Neměnnost těchto základních konstant je důležitým základním kamenem fyzikálních zákonů, jak jsou v současnosti známy; postulát časové nezávislosti fyzikálních zákonů je svázán s postulátem uchování energie (Noetherova věta ), takže objev jakékoli variace by znamenal objev dříve neznámého zákona síly.[3]

Ve více filozofický v kontextu, závěr, že tato množství jsou konstantní, vyvolává otázku, proč mají konkrétní hodnotu, kterou mají v tom, co se jeví jako „vyladěný vesmír ", zatímco jejich proměnlivost by znamenala, že jejich známé hodnoty jsou pouze nehodou aktuální čas na kterém je náhodou změříme.[4]

Rozměrnost

Další informace: Systém měření a Přírodní jednotky

Problematické je diskutovat navrhovanou míru změny (nebo její absence) jednotlivce dimenzionální fyzická konstanta v izolaci. Důvodem je to, že volba a soustava jednotek může libovolně vybrat jakoukoli fyzickou konstantu jako svůj základ, takže otázka, která konstanta prochází změnou, je artefaktem výběru jednotek.[5][6][7]

Například v SI jednotky, rychlost světla byla dána a definovaný hodnota v roce 1983. Bylo tedy smysluplné experimentálně měřit rychlost světla v jednotkách SI před rokem 1983, ale není tomu tak nyní. Testy neměnnosti fyzikálních konstant se dívají na bezrozměrný veličiny, tj. poměry mezi veličinami podobných rozměrů, aby tento problém unikl. Změny fyzických konstant nemají smysl, pokud vedou k pozorovatelně k nerozeznání vesmír. Například „změna“ rychlosti světla C by nemělo smysl, pokud by bylo doprovázeno odpovídající „změnou“ základního náboje E takže poměr E2:C (konstanta jemné struktury) zůstala nezměněna.[8]

Přírodní jednotky jsou systémy jednotek zcela založené na základních konstantách. V takových systémech má smysl měřit jakoukoli konkrétní veličinu, která je ne použitý při definici jednotek. Například v Kamenné jednotky, základní poplatek je nastaven na E = 1 zatímco snížená Planckova konstanta podléhá měření, ħ ≈ 137.03a v Planckovy jednotky, snížená Planckova konstanta je nastaven na ħ = 1, zatímco základní náboj podléhá měření, E ≈ (137.03)1/2.v Předefinování základních jednotek SI v roce 2019 vyjadřuje vše Základní jednotky SI pokud jde o základní fyzikální konstanty, efektivní transformace systému SI na systém přírodních jednotek.

Konstanta jemné struktury

V roce 1999 důkazy o časové variabilitě konstanta jemné struktury na základě pozorování kvasary bylo oznámeno[9] ale mnohem přesnější studie založená na molekulách CH nenašla žádné variace.[10][11] Horní mez 10−17v roce 2008 byla zveřejněna roční variabilita času na základě laboratorních měření.[12] Pozorování kvasaru vesmíru starého pouhých 0,8 miliardy let metodou analýzy AI použitou na dalekohledu Very Large Telescope (VLT) zjistila, že prostorová variace je preferována před modelem bez variací na úroveň.[13]

Časová variace konstanty jemné struktury je ekvivalentní časové variaci jednoho nebo více z: rychlost světla, Planckova konstanta, vakuová permitivita, a základní náboj, od té doby .

Rychlost světla

Hlavní článek: Proměnlivá rychlost světla

Gravitační konstanta

The gravitační konstanta G je obtížné měřit s přesností a protichůdná měření v roce 2000 inspirovala kontroverzní návrhy periodické variace jeho hodnoty v článku z roku 2015.[14] I když jeho hodnota není známa s velkou přesností, možnost pozorování supernovy typu Ia který se stal ve vzdálené minulosti vesmíru, ve spojení s předpokladem, že fyzika účastnící se těchto událostí je univerzální, umožňuje horní hranici menší než 10−10 za rok pro gravitační konstantu za posledních devět miliard let.[15]

Jako rozměrová veličina bude hodnota gravitační konstanty a její možné variace záviset na volbě jednotek; v Planckovy jednotky například jeho hodnota je pevně nastavena na G = 1 podle definice. Smysluplný test časové variace G vyžadovalo by srovnání s negravitační silou k získání bezrozměrné veličiny, např. prostřednictvím poměru gravitační síly k elektrostatické síle mezi dvěma elektrony, což zase souvisí s bezrozměrným konstanta jemné struktury.

Poměr hmotnosti protonu k elektronu

Horní hranice změny v hmotnostní poměr proton k elektronu byl umístěn v 10−7 po dobu 7 miliard let (nebo 10−16 za rok) ve studii z roku 2012 na základě pozorování methanolu ve vzdálené galaxii.[16][17]

Kosmologická konstanta

Další informace: Kosmologická konstanta, Vakuová energie, a Temná energie

The kosmologická konstanta je měřítkem hustota energie z vakuum. Poprvé byl změřen a bylo zjištěno, že má kladnou hodnotu, v 90. letech. V současné době se odhaduje na 10 (od roku 2015)−122 v Planckovy jednotky.[18] Možné variace kosmologické konstanty v čase nebo prostoru nelze pozorovat, ale bylo zjištěno, že v Planckových jednotkách je její naměřená hodnota sugestivně blízká převrácené hodnotě věk vesmíru na druhou, Λ ≈ T−2.[19]Barrow a Shaw (2011) navrhli modifikovanou teorii, ve které Λ je pole vyvíjející se takovým způsobem, že jeho hodnota zůstává Λ ~ T−2 v celé historii vesmíru.[20]

Viz také

Reference

  1. ^ P.A.M. Dirac (1938). „Nový základ pro kosmologii“. Sborník královské společnosti A. 165 (921): 199–208. Bibcode:1938RSPSA.165..199D. doi:10.1098 / rspa.1938.0053.
  2. ^ CODATA Doporučené hodnoty základních fyzikálních konstant: 2010 "(15. března 2012):" Přestože možná časová variace konstant je i nadále aktivním polem experimentálního i teoretického výzkumu, není pozorována žádná variace související s údaji, z nichž vycházejí doporučené hodnoty pro rok 2010; viz například nedávné recenze od Uzan (2011) a Chiba (2011). Další odkazy lze najít v bibliografické databázi FCDC na adrese physics.nist.gov/constantsbib například pomocí klíčových slov „časová variace“ nebo „konstanty“.
  3. ^ „Jakákoli konstanta, která se mění v prostoru a / nebo v čase, by odrážela existenci téměř bezhmotného pole, které je spojeno s hmotou. To by vyvolalo narušení univerzality volného pádu. Proto je nanejvýš důležité pro naše chápání gravitace a oblast platnosti obecné relativity k testování jejich stálosti. “ Uzan (2011)
  4. ^ Uzan (2011), kapitola 7: „Proč jsou konstanty právě tak?“: „Numerické hodnoty základních konstant nejsou určeny přírodními zákony, ve kterých se objevují. Lze se divit, proč mají hodnoty, které pozorujeme. Zejména, jak zdůraznili mnozí autoři (viz níže), se přírodní konstanty zdají být vyladěny [Leslie (1989)]. Mnoho fyziků považuje toto dolaďování za vysvětlení, které volá po vysvětlení, a proto následuje Hoyle [(1965)], který napsal, že „člověk musí mít alespoň trochu zvědavosti ohledně podivných bezrozměrných čísel, která se objevují ve fyzice.“ “
  5. ^ Duff, M. J. (2014). „Jak zásadní jsou základní konstanty?“. Současná fyzika. 56 (1): 35–47. arXiv:1412.2040. doi:10.1080/00107514.2014.980093 (neaktivní 10. 11. 2020).CS1 maint: DOI neaktivní od listopadu 2020 (odkaz)
  6. ^ Duff, M. J. (13. srpna 2002). "Komentář k časové variaci základních konstant". arXiv:hep-th / 0208093.
  7. ^ Duff, M. J .; Okun, L. B .; Veneziano, G. (2002). "Trialog o počtu základních konstant". Journal of High Energy Physics. 2002 (3): 023. arXiv:fyzika / 0110060. Bibcode:2002JHEP ... 03..023D. doi:10.1088/1126-6708/2002/03/023. S2CID  15806354.
  8. ^ Barrow, John D. (2002), Konstanty přírody; Od Alfa po Omegu - čísla, která zakódují nejhlubší tajemství vesmíru, Pantheon Books, ISBN  0-375-42221-8„[An] důležitá lekce, kterou se učíme ze způsobu, že čistá čísla jako α definují Svět, je to, co ve skutečnosti znamená, že světy budou jiné. Čisté číslo, které nazýváme konstantní jemnou strukturou a označujeme α, je kombinací elektronového náboje , Erychlost světla, Ca Planckova konstanta, h. Nejprve bychom mohli být v pokušení si myslet, že svět, ve kterém byla rychlost světla pomalejší, by byl jiným světem. Ale to by byla chyba. Li C, h, a E byly všechny změněny tak, aby se hodnoty, které mají v metrických (nebo jiných) jednotkách, lišily, když jsme je vyhledali v našich tabulkách fyzikálních konstant, ale hodnota α zůstala stejná, tento nový svět by byl pozorovatelně k nerozeznání z našeho světa. Při definici světů se počítá pouze s hodnotami bezrozměrných konstant přírody. Pokud by se zdvojnásobila hodnota všech hmot, nemůžete to zjistit, protože všechna čistá čísla definovaná poměry libovolného páru hmot se nezmění. “
  9. ^ Webb, J. K .; et al. (2001). "Další důkazy pro kosmologický vývoj konstanty jemné struktury". Phys. Rev. Lett. 87 (9): 091301. arXiv:astro-ph / 0012539v3. Bibcode:2001PhRvL..87i1301W. doi:10.1103 / PhysRevLett.87.091301. PMID  11531558. S2CID  40461557.
  10. ^ „Hledání proměnlivých základních konstant pomocí měření frekvence na úrovni hertzů studených molekul CH“. 15. října 2013.
  11. ^ „Vzdálené kvasary ukazují, že základní konstanty se nikdy nemění“. 5. ledna 2017.
  12. ^ T. Rosenband; et al. (2008). "Frekvenční poměr Al+ a Hg+ Jedno iontové optické hodiny; Metrologie na 17. desetinném místě “. Věda. 319 (5871): 1808–12. Bibcode:2008Sci ... 319.1808R. doi:10.1126 / science.1154622. PMID  18323415. S2CID  206511320.
  13. ^ Michael R. Wilczynska, John K. Webb; et al. (2020). „Čtyři přímá měření konstanty jemné struktury před 13 miliardami let“. Vědecké zálohy. 6 (17): 9672. arXiv:2003.07627. Bibcode:2020SciA .... 6,9672 W.. doi:10.1126 / sciadv.aay9672. PMC  7182409. PMID  32426462.
  14. ^ J.D.Anderson; G. Schubert; V. Trimble; M. R. Feldman (duben 2015), „Měření Newtonovy gravitační konstanty a délky dne“, EPL, 110 (1): 10002, arXiv:1504.06604, Bibcode:2015EL .... 11010002A, doi:10.1209/0295-5075/110/10002, S2CID  119293843
  15. ^ J. Mold; S. A. Uddin (10. 4. 2014), „Omezení možné variace G u supernov typu Ia“, Publikace Astronomické společnosti Austrálie, 31: e015, arXiv:1402.1534, Bibcode:2014 PASA ... 31 ... 15 mil, doi:10.1017 / pasa.2014.9, S2CID  119292899
  16. ^ Bagdonaite, Julija; Jansen, Paul; Henkel, Christian; Bethlem, Hendrick L .; Menten, Karl M .; Ubachs, Wim (13. prosince 2012). „Přísný limit na driftující hmotnostní poměr protonu k elektronům z alkoholu v raném vesmíru“. Věda. 339 (6115): 46–48. Bibcode:2013Sci ... 339 ... 46B. doi:10.1126 / science.1224898. PMID  23239626. S2CID  716087. Citováno 14. prosince 2012.
  17. ^ Moskowitz, Clara (13. prosince 2012). "Uf! Konstanta vesmíru zůstala konstantní". ProfoundSpace.org. Citováno 14. prosince 2012.
  18. ^ Collaboration, Planck, PAR Ade, N Aghanim, C Armitage-Caplan, M Arnaud, et al., Planck 2015 results. XIII. Kosmologické parametry. předtisk arXiv 1502.1589v2 [1], 6. února 2015.John D. Barrow Hodnota kosmologické konstanty
  19. ^ J.D. Barrow a F.J.Tipler, Antropický kosmologický princip, Oxford UP, Oxford (1986), kapitola 6.9.
  20. ^ Barrow, John D .; Shaw, Douglas J. (2011), „Hodnota kosmologické konstanty“, Obecná relativita a gravitace, 43 (10): 2555–2560, arXiv:1105.3105, Bibcode:2011GReGr..43.2555B, doi:10.1007 / s10714-011-1199-1, S2CID  55125081