Нова проблема фундаментальної фізики

Косінов Н.В., кандидат технічних наук.

1. Проблема фундаментальних фізичних констант

В кінці 20-го століття у фізиці з'явилася ще одна проблема, яка до цих пір не була позначена в числі найважливіших фундаментальних фізичних проблем. Мова йде про проблему фундаментальних фізичних констант. Вона природним чином виросла на основі великої кількості накопичених результатів досліджень у галузі фізики елементарних частинок. Завдяки цьому напрямку досліджень з'явилася дуже велика кількість нових фундаментальних фізичних констант, які вже виділені в окремий клас - "атомні та ядерні константи" [2]. Слід зазначити, що їх кількість набагато перевищує кількість усіх інших констант разом узятих [2].

У загальній складності, в даний час у фізиці використовується вже сотні фізичних сталих. Їх список, рекомендований CODATA 1998, нараховує близько 300 констант [2]. Наявність великої кількості фундаментальних фізичних констант вказує на те, що сучасне розуміння фундаментальності констант носить більше методологічний, ніж онтологічний характер. Якщо ми визнаємо онтологічне існування деяких первинних "істинно" фундаментальних констант, то наявність великої кількості фундаментальних констант у сучасній фізиці слід пояснювати їх походженням від базових констант. Іншими словами, визнання існування онтологічного базису у констант неодмінно призводить до визнання вторинного статусу у сучасних фізичних констант.

Крім усього іншого, пошук онтологічного базису для фундаментальних констант диктується вимогою простоти фізичних теорій. У дослідженнях А. Л. Симанова [1] показано, що принцип простоти є не тільки гносеологічний, а й онтологічним. Це вже щось більше, ніж просто правило Оккама, відповідно до яких не варто без необхідності збільшувати число сутностей. Визнання за простотою як гносеологічної, так і онтологічної основи, стосовно до онтологічної базису фізичних констант, дозволяє стверджувати, що малого числа констант має бути достатньо для опису безлічі складних явищ. Це можна розглядати як один з керівних принципів у створенні єдиної фізичної теорії.

Між тим, велика кількість констант при тому, що всі вони віднесені до фундаментальних, ставить під сумнів саму ідею їх фундаментальності. Таку ж проблему фундаментальності можна побачити і у сімейства елементарних частинок. Велика кількість частинок при тому, що всіх їх відносили до елементарних, поставило під сумнів саму ідею їх елементарності.

У загальному вигляді проблему фундаментальних фізичних констант можна сформулювати наступним чином. Зростання кількості констант, що претендують на статус фундаментальних, нівелює саму ідею єдності фізичних явищ та необгрунтовано збільшує кількість нових сутностей. Не можуть володіти фундаментальним статусом сотні констант. Фундаментальність може бути властива тільки дуже малої кількості фізичних сталих. Таким чином, існує велика суперечність між мінімально необхідною кількістю фундаментальних констант і їх реальним достатком.

Можна припустити, що відомі на сьогодні константи є складовими. Тоді виникає питання: "з яких нових непріводімих констант вони можуть складатися і як вони пов'язані між собою?". Якщо такі первинні константи дійсно існують, то тільки вони могли б претендувати на роль фундаментальних, а всім іншим фізичним постійним повинен бути відведений вторинний статус.

2. Універсальні суперконстант

В [3-6] проведено дослідження проблеми фундаментальних фізичних констант. Ставилося завдання виявити критерії фундаментальності і, тим самим, зменшити число претендентів на звання "істинно фундаментальні" констант. У результаті була відкрита група первинних констант, з яких складаються фундаментальні константи [3-6]. Їх виявилося п'ять. Це наступні константи:

фундаментальний квант hu (hu = 7,69558071 (63) • 10-37 J s),

фундаментальна довжина lu (lu = 2,817940285 (31) • 10-15 m),

фундаментальний квант часу tu (tu = 0,939963701 (11) • 10-23 s),

постійна тонкої структури α (α = 7,297352533 (27) • 10-3),

число π (π = +3,141592653589).

Щоб підкреслити їх "справжню фундаментальність", вони були названі універсальними суперконстант [3,5]. Нижче показано, що основні фундаментальні фізичні константи представляють собою різні комбінації універсальних суперконстант і своїм походженням зобов'язані цим суперконстант.

3. Взаємозв'язок фундаментальних фізичних констант

Знайдена група констант, що складається з п'яти первинних суперконстант [4,6], дозволила виявити невідому раніше глобальну зв'язок, який існує між фундаментальними фізичними постійними. Так, наприклад, гравітаційна стала Ньютона виявилася функціонально залежною від інших фундаментальних констант:

G = f (h, c, e, me, μB, R ∞, α, π).

Взаємопов'язаними опинилися й інші фундаментальні фізичні постійні. Так, наприклад, магнетон Бора може бути виражений у вигляді наступних констант:

μB = f (h, c, e, me, R ∞, G, α).

Квант магнітного потоку може бути виражений у вигляді наступних констант:

Фо = f (h, c, e, me, α, π).

Планка маса може бути виражена за допомогою наступних констант:

mpl = f (me, h, c, G, α, π).

Довжина Планка може бути виражена за допомогою наступних констант:

lpl = f (h, c, G, R ∞, α, π).

Планка час може бути виражене за допомогою наступних констант:

tpl = f (h, c, G, R ∞, α, π).

Подальші дослідження показали, що і константа G та інші фундаментальні константи можуть бути виражені єдиним чином за допомогою універсальних суперконстант [3, 6]:

{G, mpl, c, h, ... e, me, R ∞, μB, Фо} = f (hu, lu, tu, α, π).

Спільність фундаментальних фізичних констант полягає в тому, що в їх основі лежить досить обмежена кількість первинних суперконстант. Нижче, як приклад, показано як деякі фундаментальні постійні пов'язані з універсальними суперконстант.

Для основних констант ці функціональні залежності наступні:

-Гравітаційна постійна G: G = f (ħu, lu, tu, α, π);

-Постійна Планка h: h = f (ħu, α, π);

швидкість світла c: c = f (lu, tu,);

-Елементарний заряд e: e = f (ħu, lu, tu);

-Маса електрона me: me = f (ħu, lu, tu);

-Постійна Рідберга R ∞: R ∞ = f (lu, α, π);

-Відношення мас протона-електрона mp / me: mp / me = f (α, π);

-Постійна Хаббла H: H = f (tu, α, π);

-Планка маса mpl: mpl = f (ħu, lu, tu, α, π);

-Довжина Планка lpl: lpl = f (lu, α, π);

планківські час tpl: tpl = f (tu, α, π);

-Квант магнітного потоку Фo: Фo = f (ħu, lu, tu, α, π);

-Магнетон Бора μB: μB = f (ħu, lu, tu, α,).

Як бачимо, константи, які традиційно носять статус фундаментальних констант, не є первинними і незалежними постійними. З наведених залежностей видно, що найменш складними є h, c, lpl, tpl, R ∞, mp / me. Це вказує на те, що постійні h, c, lpl, tpl, R ∞, mp / me найбільш близькі до первинних константам, проте самі такими не є.

Використання суперконстантного базису дозволяє отримати всі основні фундаментальні фізичні константи розрахунковим шляхом. У цьому полягає унікальність первинного (ħu, lu, tu, α, π)-базису.

Розмірні константи hu, lu, tu випливають з класичних уявлень і є константами фізичного вакууму [3 - 6]. Ці постійні визначають фізичні властивості простору-часу. Константи π і α визначають геометричні властивості простору-часу (рис.1).

Ріс.1.Універсальние суперконстант

Таким чином, підтверджується підхід А. Пуанкаре, згідно з яким затверджується доповнюваність фізики і геометрії [7]. Відповідно до цього підходу у реальних експериментах ми завжди спостерігаємо якусь "суму" фізики і геометрії [8]. Суперконстант своїм складом підтверджують це.

4. Нове значення константи G.

Чисельне значення G було визначено вперше англійським фізиком Г. Кавендіш у 1798 р. на крутильних вагах шляхом вимірювання сили тяжіння між двома кулями.

Сучасне значення константи G, рекомендований CODATA 1998 [2]:

G = 6,673 (10) • 10-11 m3kg-1s-2.

З усіх універсальних фізичних констант точність у визначенні G є найнижчою. Залежність константи G від первинних суперконстант вказує на те, що цю найважливішу постійну можна отримати математичним розрахунком.

Відкрита група універсальних суперконстант й виявлена ​​глобальний зв'язок фундаментальних констант дозволили отримати математичні формули для обчислення гравітаційної постійної G [3,5,6]. Таких формул виявилося декілька. В якості підтвердження цього нижче наведено 8 еквівалентних формул для обчислення G:

G = 2πc3lu2/αhDo, G = c5tpl2α/hu, G = lu3/tu2 me Do, G = huα2/4πtu mpl2R ∞,

G = c3lpl2α/hu, G = 2lu5α H/tu2 hu, G = hu c / α mpl2, G = c4lu / EeDo.

З наведених формул видно, що константа G виражається за допомогою інших фундаментальних констант дуже компактними і красивими співвідношеннями. При цьому, усі формули для гравітаційної константи зберігають когерентність. У числі фізичних постійних, за допомогою яких представлена ​​гравітаційна константа, знаходяться такі константи як: фундаментальний квант hu, швидкість світла c, постійна тонкої структури α, постійна Планка h, число π, фундаментальна метрика простору-часу (lu, tu), елементарна маса me, елементарний заряд e, велике космологічне число Do, що належить до семействубольшіх чисел Дірака, енергія спокою електрона Ee, планківські одиниці довжини lpl, маси mpl, часу tpl, постійна Хаббла H, константа Рідберга R ∞. Це вказує на єдину сутність електромагнетизму і гравітації і на наявність фундаментального єдності у всіх фізичних констант.

Всі наведені вище формули дають нове значення G, яке за точністю майже на п'ять порядків краще відомого на сьогодні значення. Нове значення G замість чотирьох цифр містить 9 цифр [3]:

G = 6,67286742 (94) • 10-11 m3 kg-1s-2.

5. НОВІ ЗНАЧЕННЯ Планківська КОНСТАНТ.

За допомогою універсальних суперконстант вдалося отримати нові формули для планківських констант [3-4]:

mpl = hutu/lu2 (D o / α) 1 / 2, lpl = lu (1/Do α) 1 / 2, tpl = tu (1/Do α) 1 / 2.

На основі цих формул отримано нові значення планківських констант:

mpl = 2,17666772 (25) • 10-8 кг

lpl = 1,616081388 (51) • 10-35 м

tpl = 5,39066726 (17) • 10-44 з

Ці нові значення планківських констант за точністю майже на п'ять порядків вище відомих на сьогодні значень.

Розрахункові значення інших фундаментальних фізичних констант можна знайти на сайтах:

www.photcoef.com/236.html

www.jsup.or.jp/shiryo/PDF/0900z53.pdf

http://www.rusnauka.narod.ru

http://www.schemali.narod.ru

http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/2017.html

http://www.nt.org/tp/ng/nfk.htm

6. Складова сутність константи Планка

14 грудня 1900 М. Планк зробив повідомлення про відкриття ним нової фундаментальної константи. Квант з'явився у фізичній теорії як постулат. Підтверджений на досвіді він, в той же час, не був строго доведеним у квантовій теорії. Походження його завжди залишалося загадкою. Всі спроби вивести його з первопринципов до цих пір не знаходили свого рішення. Усе ще проблемним залишається питання: "чи можна в якості первопринципа для кванта розглядати безперервне поле?" Безперервні поля класичної фізики і кванти квантової фізики вважаються такими далекими об'єктами, що сама ідея розглядати їх з єдиних позицій здається немислимою.

Л.де Бройль називав постійну Планка: "таємнича постійна h" [9]. Він же відзначав: "Можна тільки захоплюватися геніальністю Планка, який, вивчаючи окреме фізичне явище, опинився в стані вгадати один із самих основних і найбільш загадкових законів природи. Понад сорок років минуло від дня цього чудового відкриття, але ми все ще далекі від повного розуміння значення цього закону і всіх його наслідків "[10]. Можна додати, що й тепер, через 100 років після цього чудового відкриття, ми все ще далекі від повного розуміння цього закону. Завіса таємничості так і не знята з цієї найважливішої фундаментальної константи.

Вгаданих Планком постійна h містила для нього самого багато неясного. Це М. Планк спеціально наголошував у своїй Нобелівській промові. Таємничим вісником з реального світу назвав її М. Планк [11,12]. Дуже точно висловився про постійну h О. Д. Хвольсон [10]. "Проникаючи в усі відділи фізики, вона довела своє світове значення, довела, що вона грає велику роль у явищах фізичних; вона починає проникати і в хімію. Яка фізична її сутність? Чому вона така важлива? Чому вона ніби втручається (щоб не сказати - сунеться!) у всілякі фізичні явища? Одним словом: що таке h? Невідомо і незрозуміло! "

До цих пір вважається, що електромагнітна теорія явно чужа основі квантової теорії - постійної Планка [11]. Чи так це? Наскільки обгрунтовано такий поділ?

Питання можливої ​​первинність і неприводимого постійної Планка стоїть дуже гостро. Невирішені проблеми постійної Планка не дозволяють отримати відповідь на інше питання: звідки виникає реально спостережувана дискретність нашого світу і що лежить в його основі?

Універсальні суперконстант дають можливість уявити закони і формули квантової фізики, а також фундаментальні константи фізики, в тому числі і постійну Планка h. Відкриття нової фізичної константи hu дозволило встановити, що постійна Планка h представляє собою комбінацію первинних суперконстант [3,6]:

h = f (hu, π, α).

Найважливіший результат полягає в тому, що новий квант дії hu дозволив виявити витоки появи h з безперервного поля. Це знімає завісу таємничості з постійною Планка h. Виявилося, що константа h безпосередньо пов'язана з властивостями фізичного вакууму. Вона своїм походженням зобов'язана існуванню фундаментального кванта hu і проявляється при переході безперервного поля в дискретне речовина.

Звідси випливає висновок, що дискретність нашого світу виникає з континууму. На мій погляд, роз'єднання класичної та квантової теорій є однією з причин тупикового стану в фізичній науці. Вихід з глухого кута видно в об'єднанні класичних і квантових підходів і в створенні нової фізичної теорії на основі суперконстантного (hu, tu, lu, π, α)-базису, що має фундаментальний, онтологічний статус.

7. Порівняння розрахункових і рекомендованих значень констант

Універсальні суперконстант hu, lu, tu, α, π дають можливість отримати розрахунковим шляхом не тільки постійну G, а й інші фундаментальні константи. Підтвердженням правильності отриманих результатів є практично повний збіг розрахункових значень фундаментальних фізичних констант з рекомендованими CODATA 1998 значеннями тих же констант [2]. Нижче, як приклад, наведені порівняльні дані для найбільш важливих фізичних сталих.

Порівняння розрахункових значень констант зі значеннями, рекомендованими CODATA 1998:

З таблиці видно, що деякі фундаментальні константи, отримані розрахунковим шляхом, по точності на декілька порядків перевершують їх експериментальні значення. Це відноситься до констант G, mpl, lpl, tpl, H. Точність констант G, mpl, lpl, tpl, H вдалося "підтягнути" до рівня точності констант h, Фо, e, μB, me [3-6].

8. Висновок

На прикладі проблеми фундаментальних фізичних констант показано, що саме поняття фундаментальності у фізиці носить більше методологічний, ніж онтологічний характер. Така віддаленість поняття фундаментальності від онтологічного змісту не сприяє пошуку онтологічної основи матеріального світу.

Знайдені п'ять універсальних суперконстант, які в змозі замінити собою великий перелік електромагнітних констант, універсальних констант, атомних і ядерних констант стають реальними претендентами на роль "істинно фундаментальні" констант. Вони складають онтологічний базис фізичних констант.

Наявність глобального зв'язку у фізичних констант дає відповідь на запитання, чому всі спроби вчених побудувати нову квантову теорію на основі планківського константного базису, отриманого шляхом додавання до константи G двох констант h і c, закінчилися безрезультатно. Причина полягала в тому, що сама константа G містить в собі константи h і c, і додавання їх не надавало (G, h, c)-базису ніякого нової якості.

Виявлена ​​глобальна взаємозв'язок між фізичними постійними дає можливість вказати шлях, який дозволить визначити практично всі фундаментальні константи з гранично високою точністю. Ця межа вже задає, отримане зовсім недавно [2] нового значення константи Рідберга R ∞ (7,6 х10-12). Є реальна можливість наблизити точність інших констант до точності постійної Рідберга. Для цього необхідно з високою точністю визначити тільки дві константи. Одна з них - постійна тонкої структури α. Цю константу необхідно визначити з точністю хоча б 10-12 - 10-13. Інша константа - одна будь-яка постійна з групи: h, e, me. Її необхідно визначити з точністю близькою до точності постійної Рідберга. У цьому разі всі інші константи можна буде отримати математичним розрахунком з точністю не гірше, ніж точність постійної Рідберга R ∞. Таким чином, тільки дві константи зараз вимагають до себе особливої ​​уваги фізиків - це постійна тонкої структури α і одна будь-яка константа з групи h, e, me.

Надалі тільки три константи будуть вимагати підвищеної уваги дослідників. До них належать постійна Рідберга R ∞, постійна тонкої структури α, і одна константа з групи (h, e, me). Їх буде цілком достатньо, щоб знати значення всіх інших фізичних констант.

Список літератури

Сіманов А.Л. Проблема ефіру: Можливе і неможливе в історії і філософії фізики. Філософія науки, N1 (3), 1997.

Peter J. Mohr and Barry N. Taylor. CODATA Recommended Values ​​of the Fundamental Physical Constants: 1998; WWW.Physics.nist.gov / constants. Constants in the category "All constants"; Reviews of Modern Physihs, Vol 72, No. 2, 2000.

Косінов Н.В. Фізичний вакуум і гравітація. Фізичний вакуум і природа, N4, 2000.

Kosinov N. Five Fundamental Constants of Vacuum, Lying in the Base of all Physical Laws, Constants and Formulas. Physical Vacuum and Nature, N4, 2000.

Косінов Н.В. П'ять універсальних суперконстант, що лежать в основі усіх фундаментальних констант, законів і формул фізики і космології. Актуальні проблеми природознавства початку століття. Матеріали міжнародної конференції 21 - 25 серпня 2000 р., Санкт-Петербург, Росія. СПб.: "Анатолія", 2001, с. 176 - 179.

Косінов Н.В. Константні базиси для нових фізичних теорій.

Пуанкаре А. Наука і гіпотеза. Пуанкаре А. Про науку, М., 1983.

Фірсов В.А. Філософсько-методологічний аналіз проблеми єдності фізики в концепції калібрувальних полів. Філософія науки, N1 (3), 1997.

Л.де Бройль. Таємнича постійна h - велике відкриття Макса Планка. У кн. По стежках науки. М., ІЛ, 1962.

Цит. за Є. М. Кляус. Пошуки і відкриття. М., Наука, 1986, с.145.

М. Планк. Вибрані праці. М., Наука, 1975, с. 288.

Планк М. Єдність фізичної картини світу. М. с.121.