ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ

что есть все?

Фалес

Религиозность ученого состоит в восторженном

преклонении перед гармонией законов природы.

А.Эйнштейн

Взаимодействие – одна из фундаментальных категорий естественных наук, взаимодействие обусловливает соединение элементов в системы, свойства этих систем и даже собственно их обнаружение. Взаимодействие – процесс взаимного воздействия объектов друг на друга. В настоящее время известны четыре фундаментальных физических взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное (в схеме на Рис.8 они представлены своими проявлениями – четырьмя видами полей и их квантами). Все другие виды взаимодействий – лишь их частные случаи (так, трение, сопротивление, упругость – проявления электромагнитного взаимодействия). Взаимодействия распространяются (передаются) со скоростью света (не мгновенно), носят обменный характер - каждое имеет своего переносчика – квант поля, свой радиус действия и интенсивность (определяется величиной соответствующего заряда).

Гравитационное и электромагнитное взаимодействия известны людям достаточно хорошо и обычно легко обнаруживаются. Гравитационное взаимодействие удерживает планеты при их движении вокруг звезд, звезды в звездных системах, обусловливает притяжение тел к Земле (гравитационным зарядом – он имеет одну разновидность - считают массу или энергию). Электромагнитное взаимодействие проявляется в притяжении или отталкивании заряженных тел, проводников с током, оно удерживает электрон, вращающийся вокруг атомного ядра (интенсивность определяется электрическим зарядом двух видов: положительным - зарядом протона и отрицательным - электрона). Два остальных взаимодействия не наблюдаются без специальных установок, но именно они обеспечивают существование нашего мира: сильное взаимодействие удерживает кварки внутри протона, других барионов и мезонов (сила взаимодействия определяется так называемым слабым зарядом трех видов), слабое взаимодействие проявляется при превращениях частиц - обнаружили его при b-распаде нейтрона (интенсивность определяется цветовым зарядом трех видов – красный, синий, зеленый).

Первые два типа взаимодействий действуют везде, но обычно наблюдаются в макромире, вторые два можно обнаружить только в микромире. Соответственно, по радиусам действия можно выделить группу взаимодействии с бесконечным радиусом: гравитационное и электромагнитное взаимодействия, а также группу взаимодействий с радиусом, ограниченным размерами атомного ядра, - сильное и слабое. В настоящее время предпринимаются попытки объединить все взаимодействия в одно (теория суперобъединения), пока удалось объединить электромагнитное и слабое в электрослабое.

Фундаментальные взаимодействия характеризуются соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут иметь различные значения, например, в СИ заряд электрона q_e= -6∙10^-19 Кл, а его масса m_е=9,1∙10^{-31 кг.} Краткая характеристика взаимодействий дана в таблице 1.

Здесь: гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша G_m =6,7∙10^-11 н∙м²/кг²; слабое взаимодействие — универсальной постоянной (Ферми) G_w =1,4∙10^-62Дж∙м^-3 (индекс «w» - от английского слова «weak» -слабый); g_s=8∙10^-2– цветовой заряд, причем g_s >> e (индекс «s» - от английского слова «strong» - сильный); α_e=1/137 - так называемая «постоянная тонкой структуры», ћ= h/2π – постоянная Планка.

Среди фундаментальных констант условно можно выделить: мировые (универсальные), электромагнитные, атомные и физико-химические. Мировые (универсальные) константы представлены в таблице 2.

Таблица 1.

Взаимодействие	переносчик	Относит. значение (интенсивность)	Радиус действия	константы взаимодействий	про-явление
значение	формула
Гравитационное	гравитон?		∞	6∙10-39		тяготение
Электромагнитное	фотон	1038	∞	1/137		γ-распад ядра
Сильное	глюон	1040	10-15м			α-распад ядра
Слабое	бозон	1027	10-18м	10-14		β-распад ядра

Таблица 2.

В настоящее время нет четкого критерия, позволяющего установить, какие из констант можно считать истинно фундаментальными. М.Планк для построения единой физической теории предложил использовать четыре константы: скорость света, гравитационную постоянную G, постоянную Больцмана k и постоянную Планка h, А.Эйнштейн -заряд электрона, егомассу,массу протона, скорость света, гравитационную постоянную и постоянную Планка. М.Планк рассчитал кванты времени и длины («планковское время» и «планковскую длину») – 10^-44с и 10^-33м, которыми характеризуется состояние нашего пространства-времени в первичной сингулярности или в черной дыре.

Существует точка зрения, разделяемая многими выдающимися физиками, что в принципе возможно сведение всех фундаментальных постоянных к одной константе. То, что некоторые из этих связей еще не найдены, можно рассматривать как свидетельство наших неполных знаний о свойствах материи.

Так ли уж важно существование рассматриваемых констант, какую роль они играют в нашем мире? Что изменилось бы, если бы константы были другими? Оказывается, все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной. Достаточно небольших (10-30%) отклонений значений постоянных в ту или другую сторону - и наша Вселенная окажется настолько упрощенной системой, что ни о каком ее направленном развитии не сможет быть и речи. Не смогут существовать основные устойчивые состояния - ядра, атомы, звезды и галактики.

Рассмотрим несколько примеров. Объединение двух констант, заряда электрона и его массы, e/m - удельный заряд электрона - равен 1,76·10¹¹ Кл/кг. Увеличение удельного заряда в 10 раз приведет к падению электронов на ядро вследствие роста силы кулоновского притяжения, т.е. разрушению атома, уменьшение заряда во столько же раз - соответственно, к уменьшению этой силы и увеличению радиуса атома, а это уже обусловит меньшую его устойчивость в химических и других реакциях. Таким образом, привычный для нас мир будет невозможен, тем более, такие сложные структуры как жизнь.

Постоянная Больцмана (k = 1,38·10^-23Дж/К) связана с термодинамическими параметрами – температурой, давлением, плотностью. Она не влияет на свойства нашего мира – меняются лишь числовые значения и вид законов. Если она была бы больше в 10 раз своего нынешнего значения – во столько же раз возросло давление атмосферы (при постоянной температуре) или температура (при постоянном давлении). В любом случае либо давление (10 атм), либо температура (2500К) окажутся неподходящими для нашей формы жизни (то же и при уменьшении константы).

Увеличение или уменьшение постоянной Планка в 10 раз приведет либо к увеличению (уменьшению) излучаемой Солнцем энергии (E=hν) и масс частиц - в случае, если в формуле m= hν/c² изменяется только h и не изменяется одновременно частота ν. Рост излучения Солнца привел бы к совершенно другим температурным режимам на планетах, поставил само их существование под вопрос; рост масс частиц «утяжелил» бы объекты нашего мира (в первую очередь, звезды) настолько, что гигантская гравитация привела бы к их гибели. Если же рост h сопровождался бы убыванием и ν, то при сохранении масс частиц измененные частоты излучений (и энергии квантов) разных видов также значительно изменили бы мир и наше восприятие его. Но и малые изменения «небезопасны»: увеличение постоянной Планка более чем на 15% приведет к невозможности существования ядер (протон не сможет объединиться с нейтроном).

Большее значение гравитационной постоянной существенно изменило бы конфигурацию многих звездных систем, уплотнение планет, частые взрывы звезд либо их резкое гравитационное сжатие (гравитационный коллапс) на определенной стадии эволюции, изменение строения атомов и т.д. Скорее всего, жизнь любой формы была бы невозможна в такой Вселенной – все процессы (физические, химические и пр.) оказались бы слишком медленными.

Скорость света в вакууме как предельная возможная в нашем мире также влияет на многие фундаментальные процессы - термоядерные реакции в звездах (рост с приведет к росту энергии излучения E=mc² и звезда «взорвется» изнутри, уменьшение – к сжатию).

Все вышесказанное показывает, что наша Вселенная имеет «тонкую подстройку», согласование констант, которое вместе с существованием определенных физических законов, свойств элементов и характера взаимодействия между ними определяют устройство нашей Вселенной и «разрешают» существование нашей формы жизни.