Жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы без этого числа
Пол М. Саттер - астрофизик Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук и Институте Флэтайрон, ведущий программ «Спросите космонавта» и «Космического радио», а также автор книги «Как умереть в космосе». Казалось бы, безобидное, случайное число, не имеющее единиц измерения и размеров, возникало во многих областях физики и, по-видимому, управляет одним из самых фундаментальных взаимодействий во Вселенной. Его имя - постоянная тонкой структуры, и это мера силы взаимодействия между заряженными частицами и электромагнитной силой. Текущая оценка постоянной тонкой структуры составляет 0,007 297 352 5693 с погрешностью 11 для последних двух цифр. Число легче запомнить по дроби, примерно 1/137. Если бы она имела какую-либо другую ценность, жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможна. И все же мы понятия не имеем, откуда она взялась, сообщает Space.
Атомы обладают любопытным свойством: они могут излучать или поглощать излучение очень специфических длин волн, называемых спектральными линиями. Эти длины волн настолько специфичны из-за квантовой механики. Электрон, вращающийся вокруг ядра в атоме, не может иметь абсолютно никакой энергии; это ограничено определенными энергетическими уровнями. Когда электроны меняют уровни, они могут излучать или поглощать излучение, но это излучение будет иметь в точности разность энергий между этими двумя уровнями и ничего больше - отсюда и определенные длины волн и спектральные линии. Но в начале 20-го века физики стали замечать, что некоторые спектральные линии были расщеплены или имели «тонкую структуру» (и теперь вы можете видеть, к чему я клоню). Вместо одной линии иногда были две очень узко разделенные линии.
Полное объяснение «тонкой структуры» спектральной линии лежит в квантовой теории поля, сочетании квантовой механики и специальной теории относительности. И одним из первых, кто попытался понять это, был физик Арнольд Зоммерфельд. Он обнаружил, что для развития физики, объясняющей расщепление спектральных линий, ему пришлось ввести в свои уравнения новую константу - постоянную тонкой структуры. Введение констант не было чем-то новым или захватывающим в то время. В конце концов, уравнения физики на протяжении всей истории включали в себя случайные константы, которые выражали сильные стороны различных отношений. В формуле всемирного тяготения Исаака Ньютона была константа, называемая G, которая представляет фундаментальную силу гравитационного взаимодействия. Скорость света c говорит нам о взаимосвязи между электрическим и магнитным полями. Постоянная пружины k говорит нам, насколько жесткой является конкретная пружина. И так далее.
Но в маленькой константе Зоммерфельда было что-то другое: в ней не было единиц. Нет никаких измерений или системы единиц, от которых зависит значение числа. Другие константы в физике не такие. Фактическое значение скорости света, например, не имеет особого значения, потому что это число зависит от других чисел. Ваш выбор единиц измерения (метры в секунду, мили в час или лиги за две недели?) и определения этих единиц (какой именно длины будет «метр»?) имеют значение; если вы измените любой из них, значение константы изменится вместе с ним. Но это неверно для постоянной тонкой структуры. Вы можете иметь любую систему единиц, какую захотите, и любой способ организации вселенной по своему желанию, и это число будет точно таким же. Если бы вы встретили инопланетянина из далекой звездной системы, вам было бы довольно трудно сообщить значение скорости света. Как только вы поймете, как мы выражаем наши числа, вам нужно будет определить такие вещи, как метры и секунды.
Но постоянная тонкой структуры? Вы могли бы просто выплюнуть это, и они бы это поняли (при условии, что они считают числа так же, как мы). Первоначально Зоммерфельд не уделял много внимания константе, но по мере того, как росло наше понимание квантового мира, константа тонкой структуры стала появляться во все большем количестве мест. Казалось, что она возникает всякий раз, когда заряженные частицы взаимодействуют со светом. Со временем мы пришли к выводу, что это фундаментальная мера силы взаимодействия заряженных частиц с электромагнитным излучением. Измените это число, измените вселенную. Если бы постоянная тонкой структуры имела другое значение, то атомы имели бы другие размеры, полностью изменилась бы химия и изменились бы ядерные реакции. Жизнь, какой мы ее знаем, была бы совершенно невозможна, если бы постоянная тонкой структуры имела хотя бы немного другое значение.
Так почему же он имеет такую ценность? Помните, что ценность сама по себе важна и может даже иметь значение, потому что она существует вне любой имеющейся у нас системы единиц. Это просто… есть. В начале 20 века считалось, что константа имеет значение ровно 1/137. Что было такого важного в 137? Почему именно этот номер? Почему не буквально любое другое число? Некоторые физики зашли так далеко, что попытались объяснить происхождение константы с помощью нумерологии; например, знаменитый астроном сэр Артур Эддингтон «вычислил», что во Вселенной 137*2^256 протонов, так что «конечно» 1/137 тоже особенная. Сегодня у нас нет объяснения происхождения этой константы. На самом деле, у нас вообще нет теоретического объяснения его существования. Мы просто измеряем его в экспериментах, а затем подставляем измеренное значение в наши уравнения, чтобы делать другие прогнозы. Когда-нибудь теория всего - полная и единая теория физики - сможет объяснить существование постоянной тонкой структуры и других подобных констант. К сожалению, у нас нет теории всего, поэтому мы пожимаем плечами. Но, по крайней мере, мы знаем, что писать на наших поздравительных открытках инопланетянам.
