На протяжении всей своей истории человечество верило в то, что числа в некотором роде определяют сущность самой Вселенной. Это происходило всегда и везде, независимо от того, какую конкретно культуру мы имеем в виду.
Закономерности, которые наблюдались в небе или в смене времён года, были людьми замечены. И на их основе были составлены первые календари.
Особенно уважительно к числам относились древние греки. Они думали о них как метафорически (идеи пифагорейцев и платоников), так и практически (геометрии Гиппарха или Птолемея).
Не знаем мы никаких фундаментальных констант!
Эти два подхода не всегда оставались раздельными. Пожалуй, наиболее примечательный случай смешения двух направлений произошёл с Иоганном Кеплером, который объединил нумерологические представления о гармонии небесных сфер с точными измерениями Тихо Браге и обнаружил, что куб среднего диаметра орбиты планеты, разделённый на квадрат периода её обращения является постоянным числом, независимым от конкретной планеты.
Галилео Галилей, в отличие от Кеплера, в своих числовых расчётах работал с земными объектами. Он измерил скорость падения нескольких тел. И неожиданно обнаружил, что соотношение между пройденным расстоянием и квадратом затраченного времени было одинаковым независимо от конкретного тела.
Открытие Галилея и плодотворная нумерология Кеплера были позже объяснены законом всемирного тяготения Ньютона. Теория этого учёного предполагала существование фундаментальной константы (позже названной G), которая определяла силу притяжения не только между планетой и Солнцем, но и между падающим телом и Землей.
Однако этим константам, связанным с гравитацией, не уделялось много внимания. Математические методы тех времён были ориентированы главным образом на форму соотношений между величинами, а не на константы пропорциональности. И это снижало важность определения значений самих констант.
Даже в конце 18-го века британский учёный Генри Кавендиш разработал свой знаменитый эксперимент с крутильными весами не для измерения силы между двумя массами и, следовательно, того, что современные физики назвали бы гравитационной постоянной, а для измерения плотности Земли.
Луч света
Единственным исключением из ситуации полного отсутствия интереса к естественным константам в ранней современной науке было измерение Оле Рёмером скорости света в 1675 году. Одним из возможных объяснений этого исключения является то, что, в отличие от гравитационного ускорения, скорость была знакомым понятием. И в случае со светом её можно было определить путём астрономических наблюдений (в случае Рёмера – используя затмения спутников Юпитера).
Но лишь в середине XIX века появился настоящий интерес к фундаментальным константам физических наук.
В 1851 году Вильгельм Вебер предложил свою классификацию электрических единиц, основанную на метрической системе. Десять лет спустя Британская ассоциация содействия развитию науки, возглавляемая Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) и Джеймсом Клерком Максвеллом, взялась за распространение международной системы электрических стандартов и единиц измерения, которая могла бы удовлетворить потребности как промышленности, так и науки.
В этой системе центральную роль играли некоторые фундаментальные величины, такие как магнитная проницаемость и электрическая проницаемость эфира. Работа также открыла возможность определения непроизвольной «естественной системы» единиц, возможно, основанной на длине волны, массе и периоде вибрации (пока гипотетических) атомов.
Тем временем в новаторских физических теориях появлялись некоторые ключевые цифры. Джеймс Джоуль продемонстрировал механический эквивалент тепла и рассчитал его величину. Людвиг Больцман переосмыслил термодинамику в статистических терминах и ввёл важную константу, позже названную k, которая связала среднюю энергию молекулы с температурой.
Планк ввёл еще одну новую ключевую константу, связанную с молекулярной энергией, h, в свой закон излучения черного тела. Электромагнитная теория Максвелла подчеркнула, что скорость света в вакууме c фактически равна скорости электромагнитного излучения в целом. Фундаментальный постоянный статус скорости света был подтверждён специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна и доказанным ей эквивалентом материи и энергии E = mc^2.
А открытие Джозефом Джоном Томсоном электрона представило его массу и заряд в качестве кандидатов на фундаментальные величины массы и заряда.
Точно
По мере того, как в течение XX века число признанных физических констант росло, возник вопрос: в какой степени они являются фундаментальными? Потому что, хотя их можно было классифицировать по типам, например, свойствам объектов или факторам физических законов, и было ясно, что некоторые из них имеют большую важность и значение, чем другие, также казалось очевидным, что многие из них взаимосвязаны.
Второй вопрос заключался в том, насколько достаточной была точность, с которой они установлены?
В 1920-е и 1930-е годы были предприняты неофициальные международные усилия по установлению значений фундаментальных констант с максимально возможной точностью.
Технологии, появившиеся во время Второй мировой войны, в том числе лазер и атомные часы, помогли существенно увеличить количество измеримых знаков после запятой.
В шестидесятые годы эти работы приобрели официальный характер после создания в Международном совете по науке Комитета по данным для науки и техники (CODATA), и его рабочей группы по фундаментальным константам. Эта группа отвечала за систематический обзор научной литературы и публикации набора «лучших значений» фундаментальных констант. Это происходило в 1973, 1986, 1998, 2002 и 2006 годах.
Однако детальный анализ информации в поисках следующего знака после запятой не искоренил, вопреки тому, как могло показаться, интерес к нумерологии. Потому что определённые комбинации e, h и c, как оказалось, содержали более мощную магию, чем другие.
Например, безразмерная константа e2/hc стала определять силу электромагнитного взаимодействия в квантовой электродинамике.
Безразмерные константы имели (и имеют) большую привлекательность, поскольку их значение не зависит от выбранной системы единиц. И, следовательно, они представляют собой самые «чистые» числа Вселенной. Мало того, оказалось, что некоторые простые комбинации фундаментальных констант во многих случаях дают безразмерное число порядка 10^40.
В своей гипотезе больших чисел Поль Дирак предположил, что это совпадение указывает на существование закона Вселенной, который еще предстоит открыть.
Гипотеза больших чисел также поставила такой вопрос: а в какой степени константы постоянны? Возможно ли, что некоторые константы, такие как G могут меняться в зависимости от стадии эволюции Вселенной?
Нет жизни
В некоторых космологических моделях небольшие изменения значений констант могут вызвать большие изменения в эволюции Вселенной. Но только при значениях, близких к наблюдаемым, могла развиваться сложная жизнь.
Рассмотрение значений фундаментальных констант возобновило интерес к антропному принципу. И вызвало у некоторых людей интерес к тому факту, что некоторые числа природы могут быть ответственны за сам факт человеческого существования.
Если существуют разные районы Вселенной с разными значениями фундаментальных констант, это означает, что жизнь в том виде, в каком мы её знаем, существует только в той области Вселенной, где возможно её возникновение.
И мы живём именно в такой области…
Комментарии без ограничений доступны здесь.
Вход одним кликом с аккаунтом Яндекс!