Что является доказательством того, что универсальные константы (GGG, ℏℏ\hbar, ……\ldots) действительно постоянны во времени и пространстве?

Следует разделить вопрос на две части, первая из которых философская, а вторая физическая. Философский вопрос разрешается пониманием того, что существуют «константы», которые как раз и задают систему единиц, и они постоянны по той простой причине, что они определяют наши условные единицы.

Константы, определяющие единицы, с философской точки зрения не могут измениться. Их можно определить только относительно физических измерений с использованием физических атомов и света, и эти измерения служат для фиксации наших единиц. Константы, которые с философской точки зрения не могут измениться, перечислены ниже:

• Скорость света с, которая определяет единицу пространства в единицу времени.
• постоянная Планка,$\hbar$, который определяет единицу массы-энергии через единицу обратного времени.
• Постоянная Ньютона, которая определяет единицу массы-энергии с точки зрения единицы пространства (и в сочетании с двумя другими фиксирует уникальную единицу массы, длины и времени, единицы Планка)
• постоянная Больцмана, которая определяет кельвины в джоулях.
• электромагнитные константы, которые определяют единицу заряда

В единицах Плака все физические константы безразмерны. Это величины, которые философски способны изменяться (см. этот вопрос: единицы и природа ) .

Так что гравитационная постоянная просто не может измениться. С философской точки зрения бессмысленно говорить, что она меняется. На самом деле вы хотели бы сказать, что атомы меняют размер относительно планковских единиц.

Вот некоторые константы, которые в принципе могут меняться:

• Заряд электрона в планковских зарядах (квадрат этого называется постоянной тонкой структуры).
• Масса протона в массах Планка (это более или менее экспонента сильной связи в масштабе Планка)
• VEV Хиггса: это неестественно малый параметр в планковских единицах.
• Космологическая постоянная: это еще один неестественно малый параметр.

Остальные безразмерные константы примерно соответствуют ожидаемому размеру. Связь электрона с Хиггсом немного мала, поэтому электрон несколько легче по сравнению с массами других лептонов и кварков, но составляет 1 часть на тысячу, а не одну часть на миллиард, так что это все же может быть совпадением.

В теории струн все эти размерные константы являются величинами, которые могут изменяться, и все они связаны с частицей, которая представляет флуктуации этих величин. Эти частицы определяются геометрией микроскопического пространства-времени. Постоянными являются константы, чья низкоэнергетическая динамика фиксирует их значение, так что небольшие флуктуации возвращаются туда, где они начались, и любое изменение их значения требует энергий порядка планковской энергии.

При низких энергиях или вне теории струн принцип, фиксирующий заряды и массы частиц, основан на соображениях перенормируемости. Так что причина, по которой заряд электрона не меняется, заключается в том, что если он меняется от места к месту, то это поле, а никакое поле не может перенормируемым образом взаимодействовать с фотонным и электронно-позитронным полем. Они уже четвертого измерения.

Принцип перенормируемости говорит вам, что единственные естественные константы, которые вы ожидаете увидеть в квантовой теории поля, — это безразмерные коэффициенты взаимодействия размерности 4, такие как заряд электрона, или макроскопические масштабы, определяемые логарифмическим преобразованием, такие как масса протона. . По этой причине VEV Хиггса неестественен, это точно настроенная шкала масс, и это говорит о том, что есть что-то, чего мы не понимаем в механизме Хиггса, с чем мы разберемся, когда у нас будут экспериментальные данные о бозоне Хиггса. бозон.

Принцип перенормируемости применим только в скейлинговом режиме, когда все энергии много меньше энергии Планка. В этом режиме вы также ожидаете, что либо постоянная Ньютона будет действительно постоянной, что является гравитацией Эйнштейна, либо будет существовать дополнительное безмассовое скалярное поле, взаимодействующее гравитационно, что является теорией Бранса Дике. Все остальные поправки менее важны для перенормировки и уменьшаются при низких энергиях (хотя сама гравитация Эйнштейна не перенормируема, это главный сохранившийся член масштабирования при низкой энергии, поэтому принцип перенормируемости все еще работает). Экспериментально мы знаем, что поля Бранса-Дикке не могут работать в масштабах Солнечной системы.

Из-за философской свободы выбора единиц измерения Бранс и Дике решили выразить свою теорию в терминах гравитационной постоянной, меняющейся от места к месту. Эта терминология неудачна. Они могли так же легко сформулировать это, как изменение скорости света от места к месту, и иметь точно такую ​​же теорию. Лучше всего иметь константы G и c и рассматривать их поле как новое скалярное поле, которое меняется от места к месту, безотносительно к константам, определяющим единицу измерения.

Нет никаких доказательств того, что фундаментальные константы постоянны. Действительно, я видел заявления о том, что теория струн допускает изменение констант, хотя я также видел комментарии (думаю, Лубос Мотл писал об этом в блоге некоторое время назад) о том, что такие аргументы неверны.

Существует множество публикаций, посвященных измерениям фундаментальных констант, и обзорных статей о таких измерениях. Поищите в Google «сайт фундаментальных констант: arxiv.org», чтобы найти достаточно статей, которые заставят вас читать какое-то время. На данный момент нет никаких доказательств того, что какая-либо из фундаментальных констант изменилась. Были некоторые наблюдения за далекими галактиками, предполагающие, что постоянная тонкой структуры могла измениться за последние несколько миллиардов лет, но я считаю, что это все еще неубедительно. См. http://arxiv.org/abs/1202.4758 для недавней статьи по этому вопросу.

Позже: Карсус Рен хорошо заметил, что выше я подразумевал, что изменение происходит во времени, а не в пространстве. В какой-то степени их невозможно разделить. Поскольку информация «оттуда» попадает «сюда» только со скоростью света, мы можем видеть константы только такими, какими они были в прошлом. Однако мы наблюдаем, что Вселенная изотропна в больших масштабах, а это означает, что фундаментальные константы не изменяются заметно в больших масштабах. В масштабах Солнечной системы любые изменения гравитационной постоянной было бы легко обнаружить, и до сих пор ничего не обнаружено.

Недавние измерения показывают, что соотношение масс электрона и протона не менялось по крайней мере 7 миллиардов лет.

Абстрактный:

Стандартная модель физики построена на фундаментальных константах природы, но не дает объяснения их значениям и не требует их постоянства в пространстве и времени. Здесь мы устанавливаем ограничение на возможную космологическую вариацию отношения масс протона к массе электрона μ, сравнивая переходы в метаноле, наблюдаемые в ранней Вселенной, с переходами, измеренными в лаборатории. Основываясь на радиоастрономических наблюдениях PKS1830-211, мы вывели ограничение ∆μ/μ = (0,0 ± 1,0) × 10−7 при красном смещении z = 0,89, что соответствует ретроспективному времени в 7 миллиардов лет. Это соответствует нулевому результату.

Это больше философский вопрос. На самом деле невозможно что-то доказать , см . трилемму Мюнхгаузена . Лучшее, что мы можем сделать в науке, — это согласовать, чтобы теория соответствовала наблюдению. Различные «константы» на других планетах или вблизи черной дыры просто не соответствуют данным. Кроме того, наука развивается и подвержена изменениям. Если однажды теория перестанет соответствовать наблюдению, мы разработаем лучшую теорию.

О единицах констант:

Кто-то скажет, что изменение констант с единицами измерения бессмысленно, поскольку вы можете просто переопределить единицы измерения, чтобы зафиксировать физическую величину. Однако определенная единица может иметь несколько определений, не связанных друг с другом, по крайней мере, в современной теории. Например, единицу массы можно определить, зафиксировав$G$, или зафиксировав массу электрона$m_e$, или масса${}^{12}\text{C}$.

Если дерево падает в лесу, когда никто не слышит, издает ли оно звук?

Если вы берете два измерения величины, и значение одинаковое, каково было это значение между вашими измерениями?

Как описано в других ответах, ваш вопрос на самом деле больше философский, чем физика. Тем не менее есть очень веские причины считать, что универсальные константы постоянны. Основной из них заключается в том, что теории, в которых они предполагаются постоянными, делают точные предсказания о реальном мире и дают связные объяснения наблюдаемым явлениям.

Что касается первого из них, то предположение о том, что скорость света постоянна, приводит к ряду поразительных выводов, которые были в значительной степени исследованы и формализованы в теориях относительности. Когда эти теоретические основы сравниваются с наблюдениями, их предсказания полностью совпадают. Это процесс экстраполяции.

Во-вторых, когда наблюдения были сделаны, мы можем предположить, какие события к ним привели. Предположение, что некоторые аспекты Вселенной постоянны, дает логически последовательное описание. Это процесс интерполяции.

Кстати, если вы хотите немного узнать о том, какая работа уходит на измерение этих констант, вам следует ознакомиться с последней публикацией CODATA .

В эксперименте Кавендиша мы хотим исследовать только движение в горизонтальном направлении.

На это движение не должно влиять (небольшое) g, поэтому в эксперименте вам нужно подождать (долгое время), пока все не успокоится, прежде чем вы сможете многое определить. Как только он установится, можно определить значение G (с определенной долей уверенности, что g не мешает).

Ошибка, связанная с экспериментально определенным результатом (как у Кавендиша), говорит нам, насколько точным является результат. Насколько мне известно, все экспериментально определенные константы имеют некоторую неопределенность, связанную с ними.

Однако вы, кажется, спрашиваете, насколько точны данные в первую очередь, а не насколько они точны. Есть причина, по которой они предпочитают использовать такой язык, как гипотеза , теория и закон , для описания результатов в физике. Причина в том, что ни в чем нельзя быть уверенным на 100%.

на мой взгляд, концепция единиц Планка как бы устанавливает, какие «константы» могут существенно отличаться от тех, которые не имеют значения, потому что мы не знали бы разницы.

выражать все в единицах Планка. тогда$c, \hbar, G, \epsilon_0,$а также$k_B$даже не существует, чтобы варьироваться. они все$1$кроме (из условности)$\epsilon_0 = \frac{1}{4 \pi}$. (я бы предпочел соглашение, где$4 \pi G = 1$а также$\epsilon_0 = 1$).

теперь измерение или выражение любой другой физической константы в единицах Планка является безразмерной величиной. это изменение что-то значит. Я думал, что Джон Баэз смог сжать набор фундаментальных физических констант (чье значение могло измениться и что-то означать) до 26.$G, \hbar, c$нет в списке. я думаю, что при достаточном количестве физики любая физическая постоянная, выраженная в терминах ее планковской единицы, может быть выражена как функция некоторого подмножества 26.

К вашему сведению, в физике мы не принимаем во внимание такие вопросы, как «что, если…». Вместо этого есть волшебный способ доказать утверждения, обязательно используя математические понятия и теоремы, чтобы сделать вывод о том, о чем говорит теория. Но убедитесь, что хотя теории утверждают, что они верны, это не означает, что они должны быть таковыми, вместо этого со временем кто-то может объявить эти теории ошибочными, доказав их с помощью достаточного количества математических теорем/выводов. То же самое происходит с константами, их значения могут быть изменены или скорректированы новыми значениями, полученными из исследований, чтобы улучшить, например, точность зависимых от них других теорий/констант.