Константа взаимодействия. Фундаментальные постоянные мироздания Israel безразмерные константы атома

Полезно разобраться какие вообще постоянные фундаментальны. Вот есть, например, скорость света. Фундаментален сам факт что она конечна, а не ее значение. В том смысле что мы так определили расстояние и время что она такая. В других единицах она была бы другой.

А что же тогда фундаментально? Безразмерные отношения и характерные силы взаимодействия, которые описываются безразмерными константами взаимодействия. Грубо говоря, константы взаимодействия характеризуют вероятность какого-то процесса. Например, электромагнитная константа характеризует с какой вероятностью электрон рассеется на протоне.

Посмотрим как можно логически построить размерные величины. Можно ввести отношение масс протона и электрона и конкретную константу электромагнитного взаимодействия. В нашей Вселенной появятся атомы. Можно взять конкретный атомный переход и взять частоту излученного света и все мерить в периоде колебаний света. Вот определилась единица времени. Свет за это время пролетит какое-то расстояние, вот получилась единица расстояния. Фотон с такой частотой обладает какой-то энергией, получилась единица энергии. А дальше сила электромагнитного взаимодействия такова, что размер атома столько-то в наших новых единицах. Мы меряем расстояние как отношение времени пролета света через атом к периоду колебаний. Эта величина зависит только от силы взаимодействия. Если теперь определить скорость света как отношение размеров атома к периоду колебаний, мы получим число, но оно не фундаментально. Секунда и метр - характерные масштабы времени и расстояний для нас. В них мы меряем скорость света, но ее конкретное значение физического смысла не несет.

Мысленный эксперимент, пусть есть другая вселенная, где метр ровно в два раза больше нашего, но все фундаментальные постоянные и отношения те же. Тогда для распространения взаимодействий потребуется в два раза больше времени, и существа, похожие на людей, будут воспринимать секунду в два раза медленнее. Они, разумеется, это никак не почувствуют. Когда они померяют скорость света, они получат то же значение, что и мы. Потому что меряют в своих характерных метрах и секундах.

Поэтому физики не придают фундаментального значения тому что скорость света 300 000 км/с. А константе электромагнитного взаимодействия, так называемой постоянной тонкой структуры (она равна примерно 1/137) придают.

Более того, конечно же константы фундаментальных взаимодействий (электромагнетизма, сильных и слабых взаимодействий, гравитации), связанные с соответствующими процессами, зависят от энергий этих процессов. Электромагнитное взаимодействие на масштабе энергий порядка массы электрона одно, а на масштабе порядка массы бозона Хиггса другое, выше. Сила электромагнитного взаимодействия растет с энергией. Но то, как константы взаимодействий меняются с энергией можно вычислить, зная какие частицы у нас есть и какие у них соотношения свойств.

Поэтому чтобы полностью описать фундаментальные взаимодействия на нашем уровне понимания достаточно знать какой набор частиц у нас есть, соотношения масс элементарных частиц, константы взаимодействия на каком-то одном масштабе, например, на масштабе массы электрона, и соотношения сил, с которыми каждая конкретная частица взаимодействует данным взаимодействием, в электромагнитном случае это соответствует соотношению зарядов (заряд протона равен заряду электрона, потому что сила взаимодействия электрона с электроном совпадает с силой взаимодействия электрона с протоном, если бы он был в два раза больше, то и сила была бы в два раза больше, сила меряется, повторюсь, в безразмерных вероятностях). Вопрос сводится к тому почему они такие.

Тут все непонятно. Некоторые ученые верят, что появится более фундаментальная теория из которой будет следовать как соотносятся массы, заряды и прочее. На последнее в каком-то смысле отвечают теории великого объединения. Некоторые же верят, что действует антропный принцип. То есть если бы фундаментальные постоянные были другими, нас бы в такой вселенной просто бы не было.

«Подведём некоторые итоги. Справочник «Таблицы физических величин» (М.: Атомиздат, 1976) содержит 1005 страниц текста и многие миллионы чисел; как в них разобраться?

Эти величины делятся по крайней мере на четыре типа.

а) Естественные единицы измерения, или физически отмеченные точки спектров. Это - не числа, а такие величины, как G, с, h, m е, е (заряд электрона). Это - размерные характеристики некоторых явлений, поддающихся воспроизведению многократно, с высокой степенью точности. Это - отображение того, что природа тиражирует элементарные ситуации огромными сериями. Размышления над тождественностью подобных кирпичиков мироздания приводили иногда к таким глубоким физическим идеям, как статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Фантастическая мысль Уилера, что все электроны тождественны потому, что представляют собой мгновенные сечения запутанной в клубок мировой линии одного электрона, привела Фейнмана к изящному упрощению диаграммной техники вычислений в квантовой теории поля.

б) Истинные, или безразмерные, константы. Это - отношения нескольких отмеченных точек на спектре величины одной размерности, например, отношения масс электрических частиц: мы уже упоминали m p /m e . Отождествление разных размерностей при учёте нового закона, т. е. редукция группы размерностей, приводит к объединению прежде разных спектров и к необходимости объяснять новые числа.

Например, размерности m e ,с и h порождают группу Ньютона и потому приводят к столь же естественным атомным единицам размерностей М, L, Т, как и единицы Планка. Поэтому их отношения к планковским единицам нуждаются в теоретическом объяснении, Но, как мы говорили, это невозможно, пока отсутствует (G, с, h)-теория. Однако и в (m е, с, h)-теории - квантовой электродинамике - имеется безразмерная величина, значению которой современная квантовая электродинамика в некотором смысле слова обязана своим существованием. Поместим два электрона на расстоянии h/ m е c (так называемая комптоновская длина волны электрона) и измерим отношение энергии их электростатического отталкивания к энергии m е c 2 , эквивалентной массе покоя электрона. Получится число а = 7,2972 х 10 -3 ≈ 1/137. Это - знаменитая постоянная тонкой структуры.

Квантовая электродинамика описывает, в частности, процессы, в которых не сохраняется число частиц: вакуум рождает электрон-позитронные пары, они аннигилируют. Из-за того, что энергия рождения (не меньшая, чем 2m е c 2) в сотни раз больше энергии характерного кулоновского взаимодействия (благодаря значению а), удается провести эффективную схему вычислений, в которой эти радиационные поправки не отбрасываются начисто, но и не «портят жизнь» теоретика безнадёжно.

Теоретического объяснения величины α не существует. У математиков есть свои замечательные спектры: спектры выделенных линейных операторов-генераторов простых групп Ли в неприводимых представлениях, объемы фундаментальных областей, размерности пространств гомологии и когомологий и т. п. Простор для фантазии, отождествляющей спектры математиков и спектры физиков, открыт - нужны скорее принципы, ограничивающие выбор. Но вернёмся к константам.

Следующий их тип, занимающий много места в таблицах, это:

в) Коэффициенты пересчёта из одних масштабов в другие, например, из атомных в «человеческие». К ним относятся: уже упомянутое число Авогадро N 0 = 6,02 х 10 23 - по существу, один грамм, выраженный в единицах «масса протона», хотя традиционное определение немного другое, а также такие вещи, как световой год в километрах. Наиболее отвратительны для математика здесь, конечно, коэффициенты перехода от одних физически бессмысленных единиц к другим, столь же бессмысленным: от локтей к футам или от Реомюра к Фаренгейту. По-человечески это иногда самые главные числа; как мудро заметил Винни-Пух: «Не знаю, сколько в нем литров, и метров, и килограмм, но тигры, когда они прыгают, огромными кажутся нам».

г) «Диффузные спектры». Это - характеристика материалов (не элементов или чистых соединений, а обыкновенных технологических марок стали, алюминия, меди), астрономические данные (масса Солнца, диаметр Галактики...) и многие в том же роде. Природа производит камни, планеты, звёзды и Галактики, не заботясь об их одинаковости, в отличие от электронов, но всё же их характеристики меняются лишь в достаточно определённых пределах. Теоретические объяснения этих «разрешённых зон», когда они известны, бывают замечательно интересными и поучительными».

Манин Ю.И., Математика как метафора, М., «Издательство МЦНМО», 2010 г., с. 177-179.

Константа взаимодействия

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»

Константа взаимодействия (иногда используется термин константа связи ) - параметр в теории поля, определяющий относительную силу какого-либо взаимодействия частиц или полей. В квантовой теории поля константы взаимодействия связаны с вершинами на соответствующих диаграммах взаимодействия. В качестве констант взаимодействия используются как безразмерные параметры, так и связанные с ними величины, характеризующие взаимодействия и имеющие размерность. Примерами являются безразмерная электромагнитного взаимодействия и электрический , измеряемый в Кл.

Сравнение взаимодействий

Если выбрать объект, участвующий во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях, то значения безразмерных констант взаимодействий этого объекта, находимые по общему правилу, покажут относительную силу данных взаимодействий. В качестве такого объекта на уровне элементарных частиц чаще всего используется протон. Базовой энергией для сравнения взаимодействий является электромагнитная энергия фотона, по определению равная:

где - , - скорость света, - длина волны фотона. Выбор энергии фотона не случаен, так как в основе современной науки лежит волновое представление, основанное на электромагнитных волнах. С их помощью производятся все основные измерения – длины, времени, и в том числе энергии.

Гравитационное взаимодействие

Слабое взаимодействие

Энергия, связанная со слабым взаимодействием, может быть представлена в следующем виде:

где - эффективный заряд слабого взаимодействия, - масса виртуальных частиц, считающихся переносчиком слабого взаимодействия (W- и Z-бозоны).

Квадрат эффективного заряда слабого взаимодействия для протона выражается через постоянную Ферми Дж м 3 и массу протона:

На достаточно малых расстояниях экспонентой в энергии слабого взаимодействия можно пренебречь. В таком случае безразмерная константа слабого взаимодействия определяется так:

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие двух неподвижных протонов описывается электростатической энергией:

где - , - .

Отношение этой энергии к энергии фотона определяет константу электромагнитного взаимодействия, известную как :

Сильное взаимодействие

На уровне адронов в стандартной модели физики элементарных частиц рассматривается как «остаточное» взаимодействие , входящих в адроны. Предполагается, что глюоны как переносчики сильного взаимодействия, порождают виртуальные мезоны в пространстве между адронами. В пион-нуклонной модели Юкавы ядерные силы между нуклонами объясняются как результат обмена виртуальными пионами, а энергия взаимодействия имеет следующий вид:

где - эффективный заряд псевдоскалярного пион-нуклонного взаимодействия, - масса пиона.

Безразмерная константа сильного взаимодействия равна:

Константы в квантовой теории поля

Эффекты взаимодействий в теории поля часто определяются с помощью теории возмущений, в которой осуществляется разложение функций в уравнениях по степеням константы взаимодействия. Обычно для всех взаимодействий, кроме сильного, константа взаимодействия значительно меньше единицы. Это делает применение теории возмущений эффективным, поскольку вклад от старших членов разложений быстро уменьшается и их вычисление становится ненужным. В случае с сильным взаимодействием теория возмущений становится непригодной и требуются другие методы расчётов.

Одним из предсказаний квантовой теории поля является так называемый эффект «плывущих констант», согласно которому константы взаимодействий медленно изменяются с увеличением энергии, передаваемой в ходе взаимодействия частиц. Так, константа электромагнитного взаимодействия увеличивается, а константа сильного взаимодействия – уменьшается с ростом энергии. Для кварков в квантовой хромодинамике вводится своя константа сильного взаимодействия:

где - эффективный цветовой заряд кварка, испускающего виртуальные глюоны для осуществления взаимодействия с другим кварком. При уменьшении расстояния между кварками, достигаемого при столкновениях частиц с большой энергией, ожидается логарифмическое уменьшение и ослабление сильного взаимодействия (эффект асимптотической свободы кварков). На масштабе передаваемой энергии порядка массы-энергии Z- бозона (91,19 ГэВ) находится, что На этом же масштабе энергий константа электромагнитного взаимодействия увеличивается до значения порядка 1/127 вместо ≈1/137 при малых энергиях. Предполагается, что при ещё больших энергиях, порядка 10 18 ГэВ, значения констант гравитационного, слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий частиц сблизятся и могут даже стать приблизительно равными друг другу.

Константы в других теориях

Теория струн

В теории струн константы взаимодействия считаются не постоянными величинами, а носят динамический характер. В частности, одна и та же теория при малых энергиях выглядит так, что струны движутся в десяти измерениях, а при больших энергиях - в одиннадцати. Изменение числа измерений сопровождается изменением констант взаимодействия.

Сильная гравитация

Совместно с и электромагнитными силами считаются основными компонентами сильного взаимодействия в . В данной модели вместо рассмотрения взаимодействия кварков и глюонов учитываются лишь два фундаментальных поля – гравитационное и электромагнитное, которые действуют в заряженном и обладающем массой веществе элементарных частиц, а также в пространстве между ними. При этом кварки и глюоны согласно полагаются не реальными частицами, а квазичастицами, отражающими квантовые свойства и симметрии, присущие адронному веществу. Данный подход резко сокращает рекордное для физических теорий количество фактически не обоснованных, но постулируемых свободных параметров в стандартной модели физики элементарных частиц, в которой насчитывается не менее 19 таких параметров.

Другим следствием является то, что слабое и сильное взаимодействия не считаются самостоятельными полевыми взаимодействиями. Сильное взаимодействие сводится к комбинациям гравитационных и электромагнитных сил, в которых большую роль играют эффекты запаздывания взаимодействий (дипольные и орбитальные поля кручения и магнитные силы). Соответственно константа сильного взаимодействия определяется по аналогии с константой гравитационного взаимодействия:

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ - постоянные, входящие в ур-ния, описывающие фундам. законы природы и свойства материи. Ф. ф. к. определяют точность, полноту и единство наших представлений об окружающем мире, возникая в теоретич. моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэф. в соответствующих матем. выражениях. Благодаря Ф. ф. к. возможны инвариантные соотношения между измеряемыми величинами. Т. о., Ф. ф. к. могут также характеризовать непосредственно измеряемые свойства материи и фундам. сил природы и совместно с теорией должны объяснять поведение любой физ. системы как на микроскопич., так и на макроскопич. уровне. Набор Ф. ф. к. не является фиксированным и тесно связан с выбором системы единиц физ. величин, он может расшириться вследствие открытия новых явлений и создания теорий, их объясняющих, и сократиться при построении более общих фундаментальных теорий.

Наиб. часто применяемыми Ф. ф. к. являются: гравитационная постоянная G ,входящая в закон всемирного тяготения и ур-ния общей теории относительности (релятивистской теории гравитации, см. Тяготение); скорость света с , входящая в ур-ния электродинамики и соотношения

Лит.: Квантовая метрология и фундаментальные константы. Сб. ст., пер. с англ., М., 1981; Соhen E. R., Тауlor В. N.,The 1986 adjustment of the fundamental physical constants, "Rev. Mod. Phys.", 1987, v. 59, p. 1121; Proc. of the 1988 Conference on precision electromagnetic measurements, "IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement", 1989, v. 38, № 2, p. 145; Двоеглазов В. В., Тюх-тяев Ю. Н., Фаустов Р. Н., Уровни энергии водородоподобных атомов и фундаментальные константы, "ЭЧАЯ", 1994, т. 25, с. 144.

Р. Н. Фаустов .