Sekunda jest podstawą wszystkiego. Absolutnie wszystkiego
Czy możemy uprościć opis Wszechświata do absolutnego minimum? Na to pytanie starają się odpowiedzieć badacze, którzy zaproponowali śmiałą i innowacyjną teorię. Twierdzą oni, że do zdefiniowania obserwowalnej rzeczywistości wystarczy tylko i wyłącznie sekunda.
Współczesna nauka korzysta z zestawu kluczowych stałych fundamentalnych, takich jak prędkość światła w próżni (oznaczana jako c), stała Plancka (h), czy stała grawitacji (G).
Termin „stałe fundamentalne” odnosi się do podstawowych standardów potrzebnych do pomiaru i opisu wszystkiego, co nas otacza, w każdej skali. To nic innego jak podstawowe miary, dzięki którym możemy mierzyć wszystko, od masy elektronu po siłę grawitacji.
Są to uniwersalne parametry, które określają fundamentalne prawa fizyki i pozwalają na precyzyjne obliczenia w takich dziedzinach jak mechanika kwantowa czy teoria względności.
Liczba fundamentalnych stałych fizycznych zależy od teorii fizycznej przyjętej jako „fundamentalna”. Obecnie jest to teoria ogólnej teorii względności dla grawitacji i Model Standardowy dla elektromagnetycznych, słabych i silnych oddziaływań jądrowych oraz pól materii. Łącznie teorie te uwzględniają 19 niezależnych stałych fundamentalnych.
Ale czy potrzebujemy ich aż tak wiele?
Od dziesięcioleci fizycy teoretyczni spierają się o to, ile stałych fundamentalnych jest potrzebnych do opisania obserwowalnego Wszechświata? Grupa badaczy przedstawiła właśnie nowatorską propozycję rozwiązania trwającej od dekad debaty. Badanie opublikowano w czasopiśmie Scientific Reports.
Rozmowa w kawiarni i zagadki Wszechświata
Cała historia zaczęła się latem 1992 r., kiedy trzej naukowcy spotkali się na tarasie kawiarni w CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych. Podczas nieformalnej rozmowy odkryli, że nie zgadzają się co do liczby stałych fundamentalnych. Naukowcami tymi byli Michael Duff, Lev Okuna i Gabriele Veneziano.
Latem 2001 r. wróciliśmy do tematu i odkryliśmy, że nasze opinie wciąż są różne. Postanowiliśmy więc wyjaśnić nasze stanowiska. Efektem był słynny już artykuł pt. "Trialog w sprawie liczby stałych fundamentalnych" opublikowany w Journal of High Energy Physics.
Krótko mówiąc, Okun stwierdził, że do pomiaru wszystkich wielkości fizycznych niezbędne są trzy podstawowe jednostki - metr (długość), kilogram (masa) i sekunda (czas). Innymi słowy, potwierdził tzw. system MKS (M, od metra; K, od kilograma; S, od sekundy), który później został włączony do Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI).
Veneziano ze swojej strony argumentował, że w pewnych kontekstach wystarczą dwie jednostki: jedna dla czasu i jedna dla długości. Duff był dwuznaczny, stwierdzając, że liczba stałych może się różnić w zależności od omawianej teorii.
Więcej o tajemnicach Wszechświata przeczytasz na Spider;s Web:
Przestrzeń, w której żyjemy
Brazylijczycy naukowcy postanowili teraz rzucić wyzwanie fizyce i uprościć Wszechświat.
Celem jest znalezienie najbardziej fundamentalnego opisu fizyki, jaki jest możliwy. Pytanie podniesione przez Okuna, Duffa i Veneziano nie jest wcale trywialne. Jako fizycy stoimy przed koniecznością zrozumienia, jaka jest minimalna liczba standardów, których potrzebujemy, aby wszystko zmierzyć
- mówi George Matsas, jeden z autorów nowego artykułu.
Badacze twierdzą, że liczba stałych fundamentalnych zależy od czasoprzestrzeni, w której rozważane są wielkości fizyczne. Analizują dwa typy czasoprzestrzeni: galileuszową, na której Izaak Newton (1642-1727) zbudował mechanikę klasyczną; i relatywistyczną, która stanowi podłoże dla teorii względności ogólnej Alberta Einsteina (1879-1955).
Istnieje kilka relatywistycznych czasoprzestrzeni, które odpowiadają różnym rozwiązaniom równań Einsteina. Najprostszą z nich jest czasoprzestrzeń Minkowskiego, nazwana na cześć urodzonego w Niemczech żydowsko-litewskiego matematyka Hermanna Minkowskiego (1864-1909).
Jest to czasoprzestrzeń pusta (wolna od cząstek i wszystkiego innego), jednorodna (w której wszystkie punkty mają te same właściwości) i izotropowa (w której wszystkie kierunki przestrzenne są równoważne). Dla uproszczenia omawiany artykuł wykorzystuje czasoprzestrzeń Minkowskiego. Autorzy wskazują jednak, że ich wnioski można uogólnić na dowolną relatywistyczną czasoprzestrzeń.
Masa jest nam niepotrzebna
Na początek przyjrzyjmy się czasoprzestrzeni galileuszowej.
Aby zmierzyć w niej wszystkie zmienne fizyczne, potrzebne są tylko linijki i zegary. Już nawet w czasoprzestrzeni Galileusza możliwe jest więc uproszczenie wielkości podstawowych, które pomija masę. W praktyce posiadanie wzorca masy jest bardzo wygodne, ale z fundamentalnego punktu widzenia nie jest to konieczne
– mówi Matsas.
Odległość też jest nam niepotrzebna
Zgodnie z kryteriami stosowanymi przez Duffa, Okuna i Veneziano, liczba stałych fundamentalnych jest związana z minimalną liczbą niezależnych standardów potrzebnych do wyrażenia wszystkich wielkości fizycznych.
Zdaniem brazylijskich naukowców w relatywistycznej czasoprzestrzeni (tej, w której żyjemy) jednostka czasu - to znaczy „sekunda” - jest więc wystarczająca do opisania wszystkiego, co nas otacza.
W relatywistycznej czasoprzestrzeni zegary są wystarczające. Dzieje się tak, ponieważ w teorii względności przestrzeń i czas są tak ze sobą powiązane, że pojedyncza jednostka wystarcza do opisania wszystkich wielkości. Zegary o wysokiej precyzji, takie jak zegary atomowe używane obecnie, są w stanie sprostać wszystkim potrzebom pomiarowym
– mówi Matsas.
Sekunda jest wszystkim
Krótko mówiąc, w relatywistycznej czasoprzestrzeni każdą wielkość fizyczną można zmierzyć w kategoriach „sekundy”, która jest jednostką czasu.
No dobrze, ale czym jest tak naprawdę sekunda? Tu mamy już nieco z górki. Ale tylko trochę, bo opis sekundy do najłatwiejszych nie należy. Definicja „sekundy” opiera się obecnie na stałej naturalnej: jest to czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F=3 i F=4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego atomu cezu cezu-133 w spoczynku w temperaturze 0 Kelvinów. Ufff...
Jak funkcjonuje nasz Wszechświat?
Sprawa wydawać może się odległa od naszych codziennych problemów. Ma jednak daleko idące konsekwencje. Upraszczając fundamenty fizyki, moglibyśmy stworzyć bardziej eleganckie i uniwersalne teorie opisujące Wszechświat. Możliwe byłoby również lepsze zrozumienie zjawisk ekstremalnych, takich jak czarne dziury czy narodziny Wszechświata podczas Wielkiego Wybuchu.
Jak każda nowatorska hipoteza, propozycja brazylijskich naukowców wymaga dalszych badań i weryfikacji. Jednak już teraz otwiera ona nowe ścieżki myślenia dla teoretyków i stanowi inspirację dla kolejnych pokoleń fizyków.
Jedno jest pewne: spór o stałe fundamentalne jeszcze się nie skończył. Ale dzięki temu badaniu jesteśmy bliżej odpowiedzi na pytanie, jak naprawdę funkcjonuje nasz Wszechświat.
