Teoria generală a relativității, mecanica cuantică și clasice nu folosesc constante adimensionale, ca viteza luminii, constanta gravitațională și constanta Planck seta pur și simplu unitatea de masă, lungime și timp.
Cât de multe constante în fizica?
Probabil, te vei gândi imediat că viteza luminii, constanta lui Planck și constanta gravitațională - acestea sunt principalele constante fizice fundamentale.
Într-adevăr, fizica fundamentale ale acestor constante sunt atât de importante încât mulți oameni utilizează un sistem de unități în care acestea sunt egale cu 1. Faptul este că putem alege unitățile de lungime, timp și masa arbitrară. Toate trei sunt independente. Nu este atât de noroc, putem face noastre preferate 3 constante egal cu 1. Primul a atras atenția asupra sa, Planck, iar aceste trei unități numite „unități Planck“.
unități Planck sunt excelente pentru gravitate cuantică, dar nu atât de util pentru alte scopuri. De exemplu, lungimea Planck ridicol de mici: aproximativ 2 x 10 -35 metri. timpul Planck este chiar mai rău: aproximativ 5 x 10 -44 secunde. masa Planck egală cu 2 x 10 -8 kg. În viața obișnuită, și chiar și în fizica nucleară, unități Planck ar prezenta un obstacol.
Din fericire, dimensiunile nu sunt atât de importante. Ei au stabilit oameni cu programare. Atâta timp cât utilizați un sistem de unități, sau de altă parte, totul va fi bine.
În multe constante dimensiune include lungime, timp, masa, temperatura, încărcare, etc. Valoarea numerică a constantei depinde de unitățile sistemului. Valorile numerice schimba, dacă vom folosi alte unități. Prin urmare, chiar dacă ei ne spun ceva despre natura, într-o anumită măsură, aceste constante depind de persoana.
Pe de altă parte, există constante care nu depind de unitățile utilizate. Aceasta este o „adimensionale“ constante. Unii dintre ei - acesta este numărul, de exemplu, pi numărul, e și secțiunea de aur. Acesta este un constante pur matematic care oricine poate calcula pe computer la numărul dorit de cifre semnificative. Dar altele pot fi acum determinată numai experimental. Ei ne spun despre natura acestor fapte, care nu depind de alegerea sistemului de unități.
Cel mai cunoscut dintre aceste constante - o „structură fină constantă“ e 2 / hbar c. În cazul în care e - este sarcina electronului, hbar - constanta, c lui Planck - viteza luminii. În cazul în care dimensiunea de plumb, veți vedea că este o cantitate adimensionala. Experimentul arată că este aproximativ egală cu 1 / 137.03599. Nimeni nu știe exact de ce acest număr. Astăzi - este un mister complet, faptul brut al universului.
Se poate presupune că constantele dimensionale conecta una unități dimensionale cu alții. De exemplu, viteza luminii are o dimensiune de lungime împărțită la timp. Acesta poate fi utilizat pentru unitățile de traducere de timp (an) în unitatea de lungime (anul de lumină) sau vice-versa. De obicei, cei care sunt interesați în constantele fizice fundamentale, să efectueze astfel de transformări ori de câte ori este posibil, rezultând în toate interesul nostru de constante adimensionale.
Cât de mult toate constantele adimensionale fundamentale? Depinde de părerea ta despre unele noi descoperiri. În opinia mea - 26. Toate celelalte constante adimensionale (cu excepția celor referitoare la condițiile inițiale) pot, în principiu, să fie derivate din acestea, dacă sunt doar cele mai bune teorii noastre fizice. Vreau să spun teoria relativității generale, care descrie gravitația și Modelul Standard, care descrie toate celelalte forțe. Desigur, „în principiu“, înseamnă că această concluzie poate necesita simularea întregului univers!
Teoria generală a relativității, mecanica cuantică și clasice nu folosesc constante adimensionale, ca viteza luminii, constanta gravitațională și constanta Planck seta pur și simplu unitatea de masă, lungime și timp. În consecință, toate constantele adimensionale provin de la teoria noastră minunată, bizar de toate celelalte decât gravitatea forțelor - din Modelul Standard.
Pentru a începe cu particule masive. Avem 6 cuarci. Unul pozitiv și unul negativ încărcat în fiecare clasă: în sus. în jos; farmec. ciudat; de sus și de jos. Masele acestor quarci, împărțit la masa Planck, da 6 constante adimensionale. Cu toate acestea, avem 3 tipuri de leptoni masive: electroni, muoni, leptoni tau. bosoni W și Z au și masă. Există particula Higgs, care, deși nu a descoperit, dar este foarte important pentru teoria. Ea ne dă o altă masă.
Deci facem, există 6 + 3 + 2 + 1 = 12 constante adimensionale.
După aceea, se adaugă cele două constante ale interacțiunilor: electromagnetice și puternic. interacțiune electromagnetică constantă este doar un alt nume pentru constanta structurii fine. Ea determină puterea câmpului electromagnetic. In mod similar, constanta interacțiune puternică determină puterea forței nucleare, transmise de gluoni care leagă quarcii în barioni și mezoni.
Poate te intrebi de ce nu am menționat constanta de interacțiune slabă. Faptul că poate fi calculată din constantele listate.
Aș dori să vă avertizez că există modalități diferite de tăiere plăcintă. In loc de o constantă de cuplare și a particulelor de mase electromagnetice W, Z și Higgs, am putea folosi alte patru constante: cuplare câmp constant U (1), interacțiunea constantă a SU (2), masa Higgs și Particula Higgs așteptat valoare. Aceste numere sunt incluse în ecuația fundamentală a modelului standard, in care bosoni un foton, W și Z sunt descrise de teoria calibrare două constante de cuplare U (1) x SU (2). simetrie remarcabilă a acestei teorii este, și este ascuns în modul de interacțiune cu particula Higgs. O descriere a acestei interacțiuni necesită mai două constante - masa particulei Higgs și valoarea așteptată a câmpului Higgs. Total 4. Dacă am ști numărul 4, ai putea calcula numărul de altă parte, care poate fi deja măsurată în experiment: masa particulelor W și Z, constanta de interacțiune electromagnetică și masa particulei Higgs. De aceea, de obicei, vorbim de constantele, care sunt mai ușor de măsurat, apoi pentru a identifica constante mai fundamentale.
Cu orice metodă de tăiere de plăcintă, acum avem 12 + 2 = 14 constante fundamentale.
Din păcate, nu este atât de simplu. W particulă interacționează cu quark confuz modul cu o mulțime de parametri numit matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. Faptul că bosonul W are o sarcină, precum și orice quarc cu o sarcină pozitivă în emisia de W + poate deveni încărcat negativ cuarci, și nu neapărat de același tip. (Top se poate transforma într-un fund de hadroni exotice ciudate sau în jos ;. Deci timide în descompunere se transformă în lucruri plictisitoare din jurul nostru, care conține doar quarcii în sus și în jos.) Pentru a descrie transformarea amplitudinii fiecăruia dintre quarci pozitive în orice negativ, avem nevoie de o matrice de numere 3x3 . Cu toate acestea, există unele posibilități de simplificare a acestei matrice prin deplasarea câmpurilor cuarci în fază, și există unele restricții care trebuie să le îndeplinească această matrice. Prin urmare, rămâne într-adevăr nu 9 constante independente, și doar 4.
Ne mutăm la un nou tip de materie - neutrini. Mai devreme în neutrinii Modelul Standard au fost considerate lipsite de masă, și au diferit cu 3 soiuri de electroni, miuonic și Tau, care nu au putut fi transformați unul in altul. Astfel, în teorie, au existat probleme. De exemplu, vom vedea doar o treime neutrino electronic, care ar trebui să vină de la soare! Experimente recente ce în ce mai clar faptul că, probabil, punctul au neutrinii de masă și pot fi transformați unul in altul. Nu este dovedit încă că acestea au o masă, la fel ca în experimentele măsoară în principal, diferența a maselor. Masa neutrino este încă unele pot fi zero. Dar dacă toate cele trei tipuri de neutrini au masă, atunci avem cel puțin încă 3 constante fundamentale. Un total de 21 constante.
Cei mai mulți fizicieni par să creadă că neutrinii ca cuarcii în masă datorită interacțiunii cu particula Higgs. Dacă da, atunci avem nevoie de o matrice de 3 x 3 pentru neutrino, ca matrice pentru cuarci. Se numește matrice Maki-Nakagawa-Sakata și determinarea acestuia necesită componente de măsurare. În ceea ce privește quarc, doar 4 din 9 independente.
În cazul în care o astfel de extindere a modelului Standard este valabil, iar toate neutrinii au masă nenulă, crește numărul de constante fundamentale de până la 25!
În modelul standard are un parametru, care reglementează modul în care forța nucleară puternică poate perturba paritatea - simetrie între dreapta și stânga. Uneori se numește „theta“. Cu toate acestea, după cum poate fi de încredere de experiment, până când acest parametru este zero. Și am spus deja că nu ia în considerare „zero“ sau orice alt număr, care poate fi navertet pe o mașină adăugând, constante fizice fundamentale. Deci, în timp ce noi avem doar aluzii la faptul că această opțiune nu poate fi zero, și nu vom fi luate în considerare.
Până acum am vorbit despre constantele care pot fi măsurate cu ajutorul unui accelerator de particule. Dar observațiile astronomice recente sugerează existența mai multor alte constante fundamentale. De exemplu, se pare că universul se extinde mai repede și mai repede, și explicația cea mai atentă pentru acest fapt admite că densitatea de energie de vid este non-zero. Această densitate de energie se numește „constanta cosmologica“, și crește numărul total de constante fundamentale 26.
În plus, există date astronomice din care se dovedește că universul este umplut cu o „materie întunecată“ misterios. În cazul în care constă într-un nou tip de particule, aceasta va necesita mai constante fundamentale pentru a descrie proprietățile lor. Dar, atâta timp cât nu știm atât de mult despre materia întunecată pentru a vorbi despre noi constante fundamentale relevante.
26 constante nu sunt atât de multe, deși cei mai mulți fizicieni ar prefera ca ei nu au fost acolo deloc. Provocarea este de a dezvolta o teorie care ne permite să calculăm aceste constante, după care acestea vor înceta să mai fie fundamentale. Dar până acum - este doar un vis.
Deci, ce sunt aceste 26 de constante fundamentale? Teoreticienii preferă următoarele:
- masei quark
- în jos de masă cuarc
- o multime de cuarc farmec
- Masa quark ciudat
- masa cuarc top
- masa cuarc bottom
- 4 din matricea Kobayashi Masakava
- masa de electroni
- masa neutrinul electronic
- masa muon
- masa neutrinului miuonic
- masa lepton tau
- Greutatea tauonic
- 4 din matricea Maki-Nakagawa-Sakata
- masa bosonului Higgs
- așteptat Higgs câmp de valoare
- constantă de cuplare U (1)
- constantă de cuplare SU (2)
- constanta puternică interacțiune
- constanta cosmologică
Cele mai multe dintre ele - maselor. Prin urmare, este clar că avem nevoie să înțelegem modul în care particulele își obțin masa lor! Modelele standard sunt pregătite în masă datorită interacțiunii cu Higgs. Se pare că toate greutatea, precum și matricea de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa și Maki-Nakagawa-Sakata va fi explicat atunci când înțelegem modul în care particulele interacționează cu bosonul Higgs.
Această particulă nu are nici un ceas, oricum, nu există dovezi concludente, dar din cauza constantele fundamentale ale naturii 26 22 l descriu, sau interacțiunea cu alte particule! Nu este un mister.
Cred că vom găsi o mulțime de interesante și neașteptate.
În spatele toate acestea sunt ascunse atât de simplu și de mare idee pe care o vom înțelege, 10 sau 100 sau 1000 de ani, toată lumea va spune că altfel nu ar putea. Cât timp am fost prost! (John Archibald Wheeler)