Почему универсальные константы имеют именно такие значения?

Это должен быть общий вопрос, который мы неоднократно получаем на этом сайте в разных версиях:

Почему универсальные константы имеют именно такие значения? Можем ли мы теоретически предсказать их значения? Изменяются ли они со временем? Как изменился бы мир, если бы конкретная константа имела другое значение?

Связанные: физика.stackexchange.com /q/1586/2451 , физика.stackexchange.com /q/2230/2451 , физика.stackexchange.com/q/21721/2451 , физика.stackexchange.com /q/56973/ 2451
Этот вопрос гораздо более высокого качества, чем упомянутые ссылки в теле вопроса. Я думаю , что это единственный, который можно назвать дубликатом.

Ответы (2)

Боб : Алиса, скажи мне, почему фундаментальные константы имеют то значение, которое они имеют? Почему скорость света такая?

Алиса : Это не очень важный вопрос.

Боб : Что ты имеешь в виду?

Алиса : Физика — это искусство математической оценки Вселенной, в которой мы живем. Поэтому физики отображают свои наблюдения в числа. Безразмерные числа. И как следствие, все фундаментальные константы в физике представлены безразмерными числами.

Боб : Воу, воу, воу... стоп! Как вы можете утверждать, что в экспериментах мы имеем дело исключительно с безразмерными числами? Если, например, я измеряю собственную длину, то, конечно же, я выражаю результат в какой-то единице длины! Измерения длины связаны с измерением длины, измерения продолжительности — с измерением времени и так далее. Практически все измерения в физике выражаются в полноразмерных числах.

Алиса : Действительно, выражение измерений в полноразмерных числах — это распространенный способ передачи результатов физики. Но не следует забывать, что это не более чем полезная аббревиатура. Если я делаю утверждение «моя длина составляет 1,7 м» , то на самом деле я имею в виду, что безразмерное отношение моей длины к длине, пройденной светом в вакууме за 9 192 631 770 периодов перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния цезия 133 атома равно 1,7 разделить на 299 792 458. Действительно, если немного подумать, только безразмерные измерения имеют практический смысл.

Боб : Но, конечно же, фундаментальные константы с , грамм а также ℏ все трехмерны, и много усилий уходит на точное измерение их значений.

Алиса : Если подумать, эти измерения также сводятся к количественному определению безразмерных отношений.

Боб : Как это может быть? Независимо от того, как вы берете отношения между этими константами, такие отношения в конечном итоге будут полноразмерными. И вы не должны забывать, что это наши самые фундаментальные константы, у нас нет ничего более фундаментального, что мы могли бы использовать, чтобы попытаться построить безразмерные отношения.

Элис : Тебе не нужно ничего «более фундаментального». Если вы измеряете три параметра с , грамм а также ℏ , на самом деле вы указываете единицы измерения. Вы указываете способ сокращения результатов физических измерений. Нет ничего принципиального, связанного с такой спецификацией единиц.

Боб : Но фундаментальные константы фундаментальны. Они имеют внутреннее значение, и знание их значений представляет собой фундаментальное знание.

Алиса : Я позволю себе не согласиться. Значения трех параметров с , грамм а также ℏ являются чисто условными конструкциями. Их значения действуют как коэффициенты преобразования. Термин «фундаментальные константы» здесь вряд ли уместен. Единственным фундаментальным аспектом, связанным с этими коэффициентами преобразования, является тот факт, что их значения конечны. Посмотрите на это так: вы можете установить с , грамм а также ℏ все равно единице. Физики очень часто делают такую ​​замену. Это не меняет никакой физики.

Боб : Это неправда. Если вы измените фундаментальные константы, вы измените все. Если бы скорость света изменилась, изменилась бы вся физика. Предположим, что скорость света была бы 300 000 мм/с вместо 300 000 км/с. Это заставило бы нас жить в релятивистском мире. Сиденье у иллюминатора в самолете даст захватывающий опыт действия законов относительности.

Алиса : Если физика изменилась, значит, вы изменили какие-то безразмерные константы. Вы сделали больше, чем просто сменили юниты. Опять же, физика занимается количественным определением безразмерных отношений. Нет никакой другой количественной оценки, которая может быть операционализирована.

Боб : Так ты говоришь, что если бы я изменился с , грамм а также ℏ , такое, что никакое безразмерное отношение не изменится, не будет никаких наблюдаемых последствий?

Алиса : попробуй.

Более свежий взгляд Дафф на тему «Насколько фундаментальны фундаментальные константы?»: arxiv.org/abs/1412.2040
Это оставляет вопрос, почему различные безразмерные отношения имеют именно такие значения. Пожалуйста, напишите милую аллегорию, объясняющую это. Например, почему постоянная тонкой структуры имеет именно такое значение?
Короче говоря, это можно сказать так: когда вы используете линейку, вы сравниваете то, что измеряете, с линейкой. А затем вы используете ту же линейку, чтобы сравнить ее с чем-то другим. Обратите внимание, как совершенно не важно, как вы разметили линейку. Пока вы используете ту же линейку или хотя бы маркировку. Единицы — это просто линейки. Сравнивая и считывая число, вы считываете отношение измеряемого предмета к одной отметке на линейке. 1,2 из этих метровых линеек. 3 штуки Планка. И т.п.
Вы сосредоточены на чрезвычайно узком определении «ценности» как на некоторой последовательности букв и цифр, которую мы пишем на бумаге. Вопрос вовсе не в этом. Если я спрошу: «Почему большинство людей ростом примерно от пяти до шести футов?» вы могли бы использовать этот же ответ, чтобы сказать мне, что мой вопрос глуп, потому что «ноги» — бессмысленная человеческая конструкция. Это явно упускает суть. Почему эти безразмерные отношения имеют такое значение?

Примеры вопросов, упомянутые выше с , грамм , а также час , все из которых имеют единицы. Размерная константа имеет то значение, которое она имеет, благодаря нашей системе единиц. Поэтому ни один из вопросов не имеет смысла.

Примеры:

Никакая теория не может предсказать значение грамм , потому что грамм должна быть выражена в некоторых единицах. Если мы выражаем ее в единицах СИ, то мы связываем ее со свойствами Земли, поскольку, например, секунда первоначально определялась в терминах вращения и орбиты Земли. Не существует теории, способной предсказать свойства земли, являющиеся случайностью образования Солнечной системы. Однако вполне возможно, что теория всего могла бы предсказать некоторую безразмерную меру силы гравитации, такую ​​как отношение между гравитационным притяжением двух электронов и их электрическим отталкиванием.

С помощью астрономических наблюдений предпринимались попытки определить, изменилась ли постоянная тонкой структуры с течением времени. Уэбб и др. заявили о положительном результате, но более поздние работы, кажется, показывают, что они ошибались. Иногда это описывается как поиск вариаций в с со временем, но это неправильно, потому что с имеет определенное значение в системе СИ. [Duff 2002] Релятивисты делают большую часть своей работы в системе единиц, в которой с знак равно 1 ; очевидно, мы не можем позволить 1 изменяться во времени!

Есть милая серия фантастических рассказов Джорджа Гамова о персонаже по имени мистер Томпкинс . В этих историях мы видим последствия, если с , час , постоянная Больцмана к и т. д., имели разные значения. Например, когда к становится больше, мистер Томпкинс начинает замечать тепловые флуктуации, которые мы обычно не в состоянии ощутить. Но хотя эти истории развлекательны и познавательны, они не являются строго достоверными, даже если мы готовы предположить, что человек может быть перенесен в альтернативную вселенную. Альтернативная вселенная, в которой одномерная константа имеет другое значение, на самом деле может быть той же самой вселенной, просто описанной в других единицах измерения. Чтобы сделать истории строгими, у нас должна быть альтернативная вселенная, в которой отличается некоторая безразмерная константа, такая как постоянная тонкой структуры.

Дафф, 2002 г., «Комментарий к изменению фундаментальных констант во времени», http://arxiv.org/abs/hep-th/0208093 .

Не захочет ли кто-нибудь из противников объяснить, с чем они не согласны? Оба этих отрицательных голоса произошли за меньшее время, чем мне потребовалось, чтобы прочитать свой собственный ответ.
Я не минусовал, но могу сказать вам, что не согласен с вашим ответом, чего бы он ни стоил. Я думаю, что вопросы имеют смысл; изменение единиц изменит значение константы, но это не значит, что это значение бессмысленно. Что, если бы кто-то спросил, почему Земля 12000 к м широкий? Скажете ли вы им, что вопрос бессмысленный, потому что он зависит от единиц измерения?
@JavierBadia: Что, если кто-то спросит, почему Земля имеет ширину 12000 км? Скажете ли вы им, что вопрос бессмысленный, потому что он зависит от единиц измерения? Я бы сказал им, что это была случайность образования Солнечной системы, разделенная исторической случайностью определения СИ. Но, кстати, есть причина, по которой Земля имеет такой диаметр в единицах СИ . Диаметр Земли в этих единицах почти ( 4 / π ) × 10 3 , в единицах км; это потому, что метр изначально определялся с точки зрения размера земли.
...(упс, надо было сказать ( 4 / π ) × 10 4 выше)
@BenCrowell Я тоже не минусовал, но я не согласен с вашим ответом. Существуют три размерные константы: с , грамм а также ℏ . Они определяют планковские единицы. Но как насчет множества других параметров? Например, радиус Земли имеет фиксированное значение в терминах планковских длин, и это значение должно быть предсказано (по крайней мере, его вероятностное распределение). И есть масса гораздо более фундаментальных параметров: свойства элементарных частиц и т.д.
@Hindsight: я не вижу никакого противоречия между тем, что вы сказали, и моим ответом.
@BenCrowell Вы говорите, что соотношение между радиусом Земли и метром выбирают люди, поэтому в их числовом значении нет смысла. Но есть некоторые «данные Богом» единицы длины (например, планковская длина), которые являются размерными, но физическими. Так что действительно нет никакого смысла в отношении между радиусом Земли и метром, однако, радиус (Земли) физический и поэтому должен быть объяснен.
@BenCrowell люди имеют в виду, задавая такие вопросы, почему радиус Земли а метров при условии, что счетчик фиксированный . Просто гораздо проще измерять расстояния в метрах, чем в планковских длинах.
Так что технически вы правы. Но эти вопросы имеют физический смысл, если задающий их понимает то, что я изложил выше. Вы просто должны простить их за жаргон.
Бен, я проголосовал. мы уже 15 лет ведем эту дискуссию с такими людьми, как Джон Баэз и Майкл Дафф. даже пару раз с Любош. имеют значение только безразмерные константы. настоящий вопрос, на который нужно ответить, заключается в том, почему 10 25 Планковские длины в боровском радиусе, а затем спросите, почему их около 10 5 атомов в биологической клетке, а затем спросите, почему существует около 10 5 клетки существа, похожего на нас. тогда у вас будет представление о том, почему метр такой длинный. сделайте то же самое, соотнеся планковское время со временем, которое нам требуется, чтобы подумать. теперь у вас есть второй. от этого ты получишь с .
Почему универсальные константы имеют именно такие значения?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v