Фундаментальные константы и тонкая настройка Вселенной. Интервью с доцентом СПбГУ Антоном Шейкиным

Впервые опубликовано 13 апреля 2023 г.

В первом месяце нового года предлагаем вспомнить интервью, которые больше всего понравились читателям «Научной России» в ушедшем 2023 г. 

. . .

Каждый действительно крупный прорыв в науке идет рука об руку с ревизией или расширением наших представлений о каких-то мировых константах.
Джон Барроу

Фундаментальные физические константы, или постоянные, входят в уравнения, описывающие законы природы и свойства материи. Именно эти неизменные величины отвечают за так называемую тонкую настройку Вселенной. Если бы значения основных констант были хоть немного другими, то нашего мира в том виде, в каком мы его знаем, не существовало бы. Их называют универсальными, мировыми, фундаментальными, а все потому, что эти константы имеют прямое отношение к нашему пониманию природы на самом глубинном уровне.

Каким образом физические постоянные (и насколько они постоянны?) определяют наше место в мире? Что нужно для построения теории всего и при чем здесь размер Вселенной? Почему для нас пространство и время разделены, а для света ― нет? Об этом корреспонденту портала «Научная Россия» рассказал доцент Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), кандидат физико-математических наук Антон Андреевич Шейкин.

― Правильно ли я понимаю, что фундаментальные физические постоянные ― это некие неизменные величины, отражающие наше понимание природы, на которых, кроме прочего, основана и современная система единиц?

― Верно. Согласно одному из определений, это некоторые величины, значение которых невозможно выразить через какие-либо другие известные величины. Фундаментальные постоянные, или константы, можно также назвать некими численными параметрами, возникающими в наших уравнениях и управляющими тем, что эти уравнения описывают. Такой фундаментальной постоянной, например, можно считать массу какой-нибудь элементарной частицы, скажем, электрона, или его минимальный электрический заряд.

Фундаментальные физические постоянные, которые у всех на слуху, — это, конечно же, скорость света (c) и постоянная Планка (h) ― основная константа квантовой теории, связывающая энергию электромагнитного излучения с его частотой. Это размерные физические постоянные, то есть связанные с нашими единицами измерения, будь то сантиметры, метры, килограммы и т.д.

Несколько лет назад международная система единиц претерпела, пожалуй, самое масштабное изменение за всю свою историю. В результате этой реформы большинство значений наших обыденных величин (метры, килограммы и др.) получили определения, связанные с фундаментальными константами.

Это значит, что определять, что такое метр, теперь будут размерные физические константы, а не какие-либо эталоны, как это было раньше. Другой важный вопрос: а почему эти физические константы вообще существуют в природе и имеют именно такие значения?

― Сдвинуть эти значения всего на 1% ― и нас бы с вами не было. Ведь именно фундаментальные физические константы отвечают за так называемую тонкую настройку Вселенной?

― Да, это так. Если бы, например, безразмерная константа под названием «постоянная тонкой структуры (альфа)», характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, была хоть чуть-чуть другой, то не существовало бы не просто нас с вами или Солнечной системы, но даже атомов.

Оказывается, что безразмерные постоянные, такие как, например, отношение массы протона к массе электрона или упомянутая альфа, имеют численное значение, очень хорошо согласующееся с тем фактом, что мы с вами существуем.

― За столь тонкую настройку отвечают все константы или лишь какой-то ограниченный набор?

― Зависит от того, что именно мы понимаем под фундаментальностью той или иной константы. На этот счет есть разные мнения, но первенство, конечно, держат скорость света, то есть максимально возможная скорость движения в нашей Вселенной, и постоянная Планка, о которой я говорил выше.

― То есть константы делятся не только на размерные и безразмерные, но и на более фундаментальные и менее фундаментальные? Что влияет на это ранжирование?

― Да, в физике действительно одни константы считаются более фундаментальными, чем другие. В качестве примера можно взять скорость звука в различных видах среды, скажем, в скипидаре. Это вполне самодостаточная константа, обладающая, как и положено, неизменностью. Однако мы не можем сказать, что она отвечает за большое количество явлений в нашем мире. Область ее применения весьма ограниченна. В отличие, например, от скорости света, отвечающей за распространение всех полей в природе: электромагнитного, гравитационного и др., а значит, и за распространение абсолютно всех частиц.

Из-за того, что область воздействия скорости света столь всеобъемлюща, мы и считаем ее наиболее фундаментальной. То же самое справедливо и для постоянной Планка, ведь она определяет масштаб квантовых эффектов во всех физических системах.

― Отделяя, таким образом, квантовый мир от классического?

― Верно. Все дело в том, что постоянная Планка имеет очень маленькое значение ― настолько маленькое, что его невозможно представить. Это величина порядка 10^-34 Дж·с. Такое число просто не умещается у нас в сознании! Даже сложно представить, сколько там нулей…

― Самый маленький из возможных масштабов пространства?

― Не совсем. Сама по себе постоянная Планка измеряет не масштаб длины, а масштаб действия, то есть некоей интегральной характеристики любой физической системы, но в целом можно сказать, что она действительно определяет то, насколько наш привычный классический физический мир не похож на квантовый. Точно так же, как скорость света определяет, насколько мир релятивистских частиц и полей не похож на наш обычный медленный и неповоротливый классический мир.

― Эта постоянная Планка вместе с гравитационной постоянной и скоростью света входит, как считал известный физик Л.Д. Ландау, в тройку по-настоящему универсальных констант. Вы согласны с этим утверждением и с тем, что именно из этих трех констант можно построить теорию всего? Идея Л.Д. Ландау и его коллег еще не потеряла актуальности?

― Как ни странно, ученые по-прежнему интенсивно обсуждают эту идею. Большое внимание ей уделяли академик Л.Б. Окунь и другие известные физики, связанные с изучением элементарных частиц, например Габриэле Венециано ― отец теории струн. Ученые не раз проводили дебаты, где обсуждался вопрос, а сколько же на самом деле фундаментальных постоянных существует в природе. Я тоже внес небольшой вклад в исследование этого вопроса, написав несколько лет назад статью о том, что не так с набором из трех величин, которые предлагал Л.Д. Ландау.

― Интересно, а что с ними не так?

― Казалось бы, все так, как и должно быть: квантовая физика определяется значением постоянной Планка, релятивистская физика ― значением скорости света, а законы гравитации, управляющие нашей Вселенной, ― гравитационной постоянной. По идее, из этих величин действительно можно собрать так называемые планковские единицы, которые считаются масштабом теории всего, то есть единой теории поля, обещающей объединить все наши знания о физике. Но если более пристально присмотреться к этому набору из трех величин, то окажется, что одна из них лишняя. Речь идет о гравитационной постоянной. Как ни крути, но это только характеристика конкретного взаимодействия ― гравитации, в то время как постоянная Планка и скорость света управляют целыми теориями: теорией относительности (скорость света) и квантовой механикой (постоянная Планка).

― Получается, масштаб маловат?

― Да, именно научный масштаб. Дело в том, что существуют просто константы отдельных явлений (электромагнитных, гравитационных и др.), а есть константы целых научных теорий и подходов ― то есть того, каким образом мы вообще пытаемся описывать природу! Так вот, в этом значении гравитационная постоянная, конечно, несоизмерима со скоростью света и постоянной Планка.

― Можно ли заменить ее на какую-нибудь другую константу?

― К счастью, похоже, что да. В природе, возможно, есть еще одна, пока не найденная физическая фундаментальная постоянная, имеющая ровно тот же статус, что и скорость света вместе с постоянной Планка. В упомянутой мною статье я предлагаю заменить гравитационную постоянную на эту гипотетическую постоянную ― она описывает размер нашей Вселенной.

В современной космологии считается, что наша Вселенная пространственно плоская и не имеет предустановленных границ физических масштабов, поэтому ей невозможно приписать какое-то максимально возможное значение длины.

― Как бесконечный лист бумаги, который тянется во все стороны?

― Образно говоря, на крупных масштабах — да, только это трехмерный «лист». Величина этой постоянной пока не найдена. Но космологические наблюдения подсказывают нам, что, скорее всего, геометрия нашей Вселенной устроена именно так: когда мы на нее смотрим на самых больших масштабах, она выглядит как некая плоская Вселенная, где расстояния лишь немного меняются со временем. Из этого следует вывод, что каких-то фундаментальных масштабов наша Вселенная не содержит. Но если бы такой масштаб был (я не утверждаю, что он есть), то он имел бы точно такой же статус, что и скорость света с постоянной Планка! В своей статье я попытался подобрать некие аргументы в пользу этого взгляда. Я пишу о том, что на базе этих трех величин ― максимальный, или характерный, размер Вселенной, скорость света и постоянная Планка ― можно построить универсальную систему единиц, описывающую физику нашей Вселенной вне зависимости от чего бы то ни было, даже от числа измерений пространства и времени.

― Я слышала об идее, что некоторые фундаментальные физические постоянные, например максимально возможная скорость движения (то есть скорость света), могли существовать до того, как появилась наша Вселенная и вся материя, то есть еще на инфляционной стадии, до Большого взрыва. Такое действительно может быть?

― В случае со скоростью света ― не исключено, потому что это характеристика не столько какого-то конкретного явления (хоть на стадии инфляции, хоть после Большого взрыва), сколько пространства-времени в целом. В современной теоретической физике есть три фундаментальные концепции: концепция частиц, полей, определяющих взаимодействие между этими частицами, и пространства-времени, где, собственно, и происходят все эти взаимодействия частиц посредством полей. При помощи квантовой физики мы можем объединить частицы с полями и сказать, что все элементарные частицы ― кванты, или возмущения, некоторого поля. Фундаментальные поля (сильное, слабое и электромагнитное) существуют, как известно, в пространстве-времени, и то, какие взаимодействия происходят между их квантами, или частицами, сильно зависит от стадии развития Вселенной. Есть гипотеза, что на ранней стадии Вселенной все три взаимодействия были слиты в одно и никаких различий между ними не было. С развитием Вселенной, когда ее энергия стала понижаться, стали появляться различные виды взаимодействий: сначала отделилось сильное взаимодействие, затем слабое и электромагнитное.

На современном этапе развития Вселенной у нас есть много фундаментальных констант, определяющих сравнительные свойства этих трех отделившихся взаимодействий и частиц, участвующих в них. Но само пространство-время, видимо, существовало всегда, ведь без него никакое движение и взаимодействие частиц не было бы возможным.

Характеристики пространства-времени, по идее, не должны зависеть от того, что в нем летает и как взаимодействует. Оно существует само по себе. Поэтому скорость света могла появиться еще до того, как взаимодействия начали разделяться и получать какие-то конкретные характеристики.

― Мы сейчас говорим об одной нашей Вселенной. А если взять гипотезу о Мультивселенной?

― Механизм рождения множественных вселенных в результате квантовых флуктуаций на заре существования Вселенной до сих пор до конца не ясен. Более того, непонятно, когда все наши фундаментальные константы принимают свои численные значения. Возможно, какие-то из них определяются раньше остальных, потому что имеют более фундаментальное значение, а другие, например константы взаимодействий, могут определяться позже.

Возможно, что в других вселенных, если они существуют, процесс разделения фундаментальных взаимодействий прошел по другому пути.

За счет этого отличия различные константы могли принять другие значения в процессе нарушения симметрии взаимодействий. Но пространство-время, в котором происходило это развитие, как мне кажется, для всех вселенных все-таки должно быть одним и тем же, потому что разделение фундаментальных взаимодействий происходит на уровне материи, а не той области, в которой эта материя существует. Поэтому какие-то константы, не привязанные напрямую к материи, могут существовать всегда, вне зависимости от того, как происходило рождение нашей Вселенной.

― Возвращаясь к скорости света: мы так много говорили о ней, но очень трудно все это себе представить.

― Возможно, вам поможет следующая интерпретация скорости света. У нас есть некое четырехмерное геометрическое пространство, но мы, люди, устроены так, что для нас одно из измерений этого пространства немного отличается от остальных: мы можем двигаться по нему только вперед, а назад ― нет. Мы называем это измерение временем и можем фиксировать его отрезки. Мы двигаемся в пространстве гораздо медленнее, чем во времени (подробнее об этом можно прочесть в книге Брайана Грина «Элегантная Вселенная»), поэтому для нас как для очень медленных существ возникает некая фундаментальная постоянная, сопоставляющая сравнительные величины отрезков этого выделенного измерения времени и отрезков пространства.

Таким образом, кстати, скорость света и постоянная Планка характеризуют не только наш мир, но и конкретно наши познавательные возможности: мы слишком медленные для того, чтобы пространство и время для нас были одним и тем же, слитым воедино!

В то же время для фотонов, то есть для электромагнитной волны, пространство и время ― одно и то же: частицы света движутся совершенно одинаково в пространстве и во времени, чего не скажешь о людях.

Две самые фундаментальные константы, которые сейчас известны, ― скорость света и постоянная Планка ― это константы теорий, с помощью которых мы пытаемся изучать мир. Я бы даже сказал, что эти константы определяют наше место во Вселенной.

― Каким образом?

― Во-первых, мы, люди, очень большие: мы несравнимо больше, чем любая элементарная частица. Поэтому квантовая постоянная Планка, имеющая соизмеримую величину для квантовых частиц, кажется нам величиной с абсолютно ничтожным значением, которое тем не менее говорит, что внутри нас ― невероятное количество квантовых частиц. Что мы состоим из очень большого числа квантовых объектов; и для того, чтобы пробраться в этот квантовый мир, нам нужно ставить тонкие и очень точные эксперименты. Точно так же обстоят дела и со скоростью света, имеющей для нас огромное значение. Она показывает нам, что мы очень медленно двигаемся, и для того чтобы заниматься релятивистской физикой, нам нужно что-нибудь очень сильно разогнать; или, если мы хотим, например, посмотреть на свет, его нужно очень сильно затормозить, создав специальную среду. Все это, как я уже говорил, определяет в том числе и наши возможности познания природы.

― Есть палеонтологический анекдот: все динозавры были на самом деле одинаковыми, просто палеонтологи их по-разному собирают. Можно ли сказать что-то похожее, но уже всерьез, про константы? Есть ли реальный шанс свести их все к одной постоянной или к предельно малому числу?

― Это, собственно, и есть сверхзадача современной физики. Ее важность, в частности, обусловлена тем, что Стандартная модель ― вершина физики элементарных частиц ― содержит в себе около 20 фундаментальных постоянных, то есть величин, несводимых к каким-то другим. Это очень большое число, и ученым, конечно, хотелось бы получить из некой общей теории меньший набор кирпичиков, из которых можно было бы собрать эти два десятка постоянных.

В науке было много попыток вывести значение фундаментальных постоянных из более глубокой теории. Не все они, конечно, были удачными, но эти попытки не прекращаются и по сей день.

― Можно ли построить научную карьеру, занимаясь исключительно фундаментальными физическими постоянными?

― Можно, если вы экспериментатор и занимаетесь прецизионными измерениями этих констант. Это очень живая и актуальная область знания. От значений фундаментальных физических констант, от того, насколько точно мы их знаем, зависит в целом точность наших измерений. Для того чтобы построить более общую теорию всего или хотя бы чего-нибудь, нужно очень хорошо знать значения этих величин. Поэтому экспериментальное изучение фундаментальных констант ― очень многообещающая область, в которой за последнее время был достигнут большой прогресс, в том числе в построении атомных часов и уточнения эталонов времени.

Если мы хотим определить значение какой-либо фундаментальной константы, то в первую очередь нужно удостовериться, что она действительно константа, а не варьируется во времени. Мы можем пытаться каким-то образом поймать вариацию, или дрейф, этой фундаментальной постоянной.

На протяжении более полувека ученые прикладывают большие усилия, чтобы обнаружить возможные вариации значений фундаментальных постоянных с помощью разных методов, например работая с атомными часами.

― И все указывает на то, что фундаментальные константы не менялись за время существования Вселенной?

― Да. Пока ни у одной из фундаментальных констант не было обнаружено вариаций.

― Даже в первые мгновения после Большого взрыва? Есть ли какие-то надежные данные о том, какими были константы в то далекое время?

― Именно это физики и хотят установить экспериментально. Мы можем, например, попытаться определить численное значение физических констант сразу после Большого взрыва по реликтовому излучению, то есть по характеристикам теплового излучения, заполняющего всю Вселенную, ― своеобразное эхо Большого взрыва. К сожалению, пока данные и о реликтовом фоне, и о квазарах, то есть радиоисточниках в далеких галактиках, и геофизические данные, и атомные часы говорят только то, что если константы и меняются, то величина этих изменений пренебрежимо мала. Возможно, будущие экспериментальные успехи в этой области смогут сказать нам что-то новое.

― Стивен Вайнберг говорил: несмотря на то что фундаментальные физические константы изучают буквально со школьной скамьи, мы все равно не знаем, что они хотят нам сказать. Это действительно так? О чем нам говорят их численные значения, на ваш взгляд?

― На самом деле они многое пытаются нам сказать. Наша задача ― попытаться правильно понять, что означают эти непонятные физические числа. Главным образом интерпретации поддаются безразмерные константы, то есть отношения масс каких-то частиц или отношения скоростей каких-то процессов. Зачем они нужны в первую очередь нам, физикам? Затем, что они определяют масштаб различных явлений, и это принципиально важно. Так, если скорости объектов в вашей физической системе малы по сравнению со скоростью света, то вы имеете дело с галилеевской физикой. А если сравнимы ― то с релятивистской, или эйнштейновской физикой. Если же масштабы вашего явления велики по сравнению с боровским радиусом (например, радиусом атома водорода), тогда вы имеете дело с квантовой физикой.

Таким образом, численные значения фундаментальных постоянных говорят нам, какую физическую теорию нужно применять в том или ином случае, где и какие процессы происходят, чем можно пренебречь, а что необходимо оставить. Итак, численное значение этих физических величин в первую очередь определяют для нас масштабы.

― Есть ли аналоги фундаментальных физических постоянных в других науках?

― Да, постоянные существуют не только в физике. В биологии, например, есть довольно много численных констант, управляющих целыми классами явлений. Со списком этих постоянных можно ознакомиться на сайте Bionumbers. В первую очередь в биологии представлены константы, определяющие свойства клетки. Это неудивительно, ведь живые клетки на самом деле гораздо больше похожи друг на друга, чем элементарные частицы. Очень многие величины, определяющие клеточную биологию, зависят от характерных параметров живой клетки. Некоторые фундаментальные константы (как размерные, так и безразмерные), определяющие масштаб явлений, возникают не только в биологии, но и во многих других областях знания.

― А что насчет гуманитарных наук? Какие константы есть там?

― Есть интересный и известный пример безразмерной фундаментальной постоянной в социологии. Она называется «число Данбара» и приблизительно равняется 150 ― это максимальное количество контактов, которые один человек может поддерживать в каждый момент времени. Идея принадлежит британскому антропологу Робину Данбару. Ученый также считает, что в течение жизни это число может меняться. Вывод Данбара основан на наблюдении за приматами и изучении неокортекса ― основной части коры больших полушарий головного мозга. Несколько лет назад группа других ученых опубликовала работу, где говорилось, что среднее количество контактов, которые может поддерживать примат, действительно близится к 150, но при этом наблюдается очень большой разброс: в границах доверительного интервала оказываются и 2, и 500.

― Тогда это уже не константа, а переменная?

― Похоже на то. В гуманитарных науках гораздо сложнее доказать своим коллегам, что вводимая величина ― действительно фундаментальная постоянная, характеризующая хоть какие-то процессы.

Исследования в области фундаментальных констант в физике и не только, конечно, будут продолжаться и дальше, потому что если мы хотим построить математическую теорию какого-то явления, то должны находить его численные характеристики. И если это явление удается связать с некоторой постоянной, то становится гораздо понятней, какую математическую модель необходимо использовать для его описания.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ

● Sheykin A.A., Manida S.N. Universal constants and natural systems of units in a spacetime of arbitrary dimension. 2020.

● Sheykin A.A. Universal Constants as Manifestations of Relativity. 2021.

● Лекция А.А. Шейкина о связи единиц измерения с размерными константами.

●  Гамов Г.А., Иваненко Д.Д., Ландау Л.Д. Мировые постоянные и предельный переход // Журнал Русского физико-химического общества. 1928.

● Окунь Л.Б. О статье Г. Гамова, Д. Иваненко и Л. Ландау «Мировые постоянные и предельный переход» // Ядерная физика. 2002.

● Томилин К.А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. 2006.

● Барроу Д. Новые теории всего. 2013. Глава 5.

● Розенталь И.Л. Физические закономерности и численные значения фундаментальных постоянных // Успехи физических наук. 1980. № 6.

● Каршенбойм С.Г. Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения // Успехи физических наук. 2005. № 3.

● Duff M.J., Okun L.B., Veneziano G. Trialogue on the number of fundamental constants. 2001.

● Uzan J.-P. The fundamental constants and their variation: observational status and theoretical motivations. 2002.

● Hehl F.W. (Cologne), Lämmerzahl C. (Bremen). Physical dimensions/units and universal constants: their invariance in special and general relativity. 2018.