Постоянная тонкой структуры 1 137. Постоянная тонкой структуры

Изображение галактики PKS 1413+135

Eric S. Perlman et al. / Astronomical Journal

Постоянная тонкой структуры и отношение масс протона и электрона не могли уменьшиться за последние три миллиарда лет больше, чем на 10 −6 относительно своего текущего значения. Это установили исследователи из Индии и США, статья ученых опубликована в Physical Review Letters , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Протекание всех физических процессов определяется так называемыми фундаментальными постоянными (или константами) - скоростью света, гравитационной постоянной, постоянной Планка, постоянной тонкой структуры и так далее. Эти величины входят в большинство физических законов и не зависят от того, как ученые поставили и провели эксперимент. Например, постоянную тонкой структуры можно определить, измеряя g-фактор электрона или скорость отдачи атома водорода при поглощении фотона - в обоих случаях результаты совпадают с очень хорошей точностью (до девятого знака после запятой).

Тем не менее, все эксперименты по измерению фундаментальных постоянных проводятся на Земле или сравнительно недалеко от нее (например, ). Вполне может быть, что фундаментальные постоянные вовсе не постоянны, а отличаются в разных точках Вселенной и на разных этапах ее эволюции. В самом деле, некоторые теории предполагают такое поведение (например, об этом говорится в обзоре физика Карлоса Мартинса). Поэтому ученые пытаются проверить, как постоянные меняются со временем, с помощью различных косвенных методов - например, наблюдая за красным смещением различных спектральных линий.

В этой статье группа ученых под руководством Ниссима Канекара (Nissim Kanekar) показала, что постоянная тонкой структуры α и отношение масс протона и электрона μ оставались постоянными на протяжении по меньшей мере трех миллиардов лет. Для этого они использовали два разных сателлита (satellite lines) 18-сантиметровой линии излучения радикала OH . Из-за правил отбора такие линии оказываются сопряжены, то есть имеют одинаковое очертание - если сложить оптическую толщину двух таких линий, они практически в точности компенсируют друг друга. С одной стороны, сопряженность линий гарантирует, что они излучаются одним и тем же веществом. С другой стороны, частота двух сателлитных линий по-разному зависит от параметров α и μ. Получается, что если в момент излучения эти параметры отличались от своего текущего значения, при регистрации расстояние между линиями в пространстве скоростей немного изменится, и по этому смещению можно отследить изменение параметров.

Подобные измерения частоты ученые выполнили с помощью телескопа Аресибо , который регистрировал излучение галактики PKS 1413+135 . Суммарно телескоп наблюдал за галактикой около 125 часов в период с апреля 2010 по июнь 2012 года, каждый раз сканируя ее в течение примерно пяти минут. Из-за движения Земли вокруг Солнца ученые каждый раз регистрировали линии при разных скоростях, итоговое разрешение по скорости составило около 0,18 километров в секунду. На каждом образце линии 1720 и 1612 мегагерц наблюдались одновременно. Чтобы увеличить точность измерений, ученые исключили часть данных из обработки - например, они отбрасывали события, на которых сказалась интерференция радиоволн. Кроме того, они проверяли с помощью критериев Колмогорова-Смирнова и Андерсона-Дарлинга , что спектр линий подчиняется распределению Гаусса , и исключали те измерения, для которых эти критерии не выполнялись.

Зависимость оптической толщины от скорости в гелиоцентрической системе отсчета для сателлитных линий разной частоты (слева) и сумма этих зависимостей (справа)

N. Kanekar et al. / Phys. Rev. Lett.

Затем ученые определили, при какой относительной скорости достигается максимум корреляции между спектрами линий - оказалось, что это происходит на скорости Δv ≈ +35±56 метров в секунду. Другими словами, распределения не нужно сдвигать относительно друг друга, чтобы максимум одного из них пришелся на минимум другого. Это значит, что постоянная тонкой структуры и отношение масс протона и электрона слабо изменились с тех пор, как были испущены линии. Итоговое значение для относительного изменения величины X = μα 2 составило ΔX /X ≈ (+0,97±1,53)×10 −6 , а с учетом предыдущих измерений ΔX /X ≈ (−1±1,3)×10 −6 . Поскольку галактика PKS 1413+135 имеет z ≈ 0,247, это означает, что величина X с хорошей точностью оставалась постоянной в течение последних трех миллиардов лет. Разумеется, то же самое можно сказать про изменения α и μ по отдельности.

Стоит отметить, что ранее авторы уже использовали сателлитные линии в излучении галактики PKS1413+135, чтобы определить ограничения на скорость изменения постоянной тонкой структуры. В тот раз они получили значение ΔX /X ≈ (−6,3±2,5)×10 −6 . Кроме того, другая группа ученых определила эту скорость по наблюдениям за переходами между энергетическими уровнями иона иттербия. В новой статье исследователи еще сильнее уточнили эти ограничения благодаря новым наблюдениям (примерно в шесть раз).

В октябре прошлого года американские физики-теоретики , что изменение фундаментальных констант со временем слабо влияет на первичный нуклеосинтез, в частности, на образование бериллия-8. Иначе говоря, даже если постоянная тонкой структуры и другие константы были другими на ранних этапах жизни Вселенной, это не привело бы к существенному повышению концентраций элементов тяжелее гелия, и жизнь в такой Вселенной мало бы отличалась от нашей.

Дмитрий Трунин

Коллега, бытует известное высказывание Вольфганга Паули о том, что после смерти он попытается выяснить у Сатаны смысл постоянной тонкой структуры. Почему именно у Сатаны?

Возможно потому, мой друг, что по меткому выражению Фейнмана сам факт существования этого загадочного числа является «проклятием для всех физиков». И действительно долгое время (более полувека) физический смысл этой безразмерной константы оставался величайшей тайной, ибо никто не знал, как появляется это магическое число.

Чтобы разобраться с этим, необходимо вспомнить две постоянные:
- постоянную Кеплера: Kп = v^2*R, Дж*м/кг (или м^3/с^2) и
- постоянную Планка: h = m*v*R, Дж*с (или кг*м^2/с).

Если в постоянную Кеплера подставить минимально возможное (по модулю – максимальное) значение гравитационного потенциала, то получим минимально возможный орбитальный радиус, который мы называем гравитационным радиусом (этот радиус имеет отношение к гравитационному полю):

Rg = Kп/c^2, м.

Если же подставить значение максимальной скорости в постоянную Планка, то получим другой минимально возможный радиус, который мы называем радиусом Комптона (этот радиус имеет отношение к электромагнитному полю):

Rэм = h/(m*c), м.

Отношение данных радиусов для атома водорода (простейший случай) даёт нам значение постоянной тонкой структуры:

Rg/rэм = (Kп*m)/(h*c) = a = 1/137,036.

Коллега, и это всё?

Нет, не всё, мой друг. Это справедливо (как уже сказано) только для атома водорода, где масса поля равна массе электрона (m = me), а гравитационный радиус – так называемому «классическому радиусу электрона» (rg = re). Однако уже отсюда видно, что всё сводится к отношению двух минимально возможных радиусов (гравитационного и электромагнитного) в потенциальном поле атома.

Для многих постоянная тонкой структуры была количественной характеристикой только электромагнитного взаимодействия, а фактически она характеризует соотношение геометрических параметров гравитационного и электромагнитного полей.

Проблема здесь заключается в том, что многие из нас не могут признать реальное присутствие гравитации в потенциальном поле атома, ибо в соответствии с так называемым «всемирным» законом тяготения действие гравитации в поле атома исчезающе мало.

Опасаясь лишний раз ставить под сомнение «всемирный» закон, мы как бы «забываем» о том, что в микрополе чудесно действуют законы Кеплера (особенно, его третий Закон). А тех физиков, которые использовали эти «законы неба» в поле атома (Макс Борн, Эдуард Шпольский...), к великому сожалению, вообще можно сосчитать на пальцах одной руки. Поэтому, гравитационный радиус атома водорода мы продолжаем называть классическим радиусом электрона. И это мы вынуждены признать, как неоспоримый ФАКТ.

Коллега, а какой же смысл имеет постоянная тонкой структуры для общего случая?

Смысл остаётся тем же: эта удивительная постоянная характеризует соотношение геометрических параметров гравитационного и электромагнитного полей.

Однако необходимо помнить, что для общего случая произведение массы поля на электромагнитный радиус Комптона является величиной постоянной (вытекает из элементарной теории эффекта Комптона):

M*rэм = me*re/a = const

В то же время, произведение массы поля на гравитационный радиус зависит от значения электрического заряда поля (вытекает из известного уравнения m*rg/q^2 = me*re/e^2 = 10^-7 кг*м/Кл^2):

M*rg = me*re*Z^2, где Z = q/e.

Поэтому, для общего случая имеем: rg = rэм*Z^2*a, или rg/rэм = Z^2*a.

Астрофизики доказали то, что как минимум одна из фундаментальных физических постоянных, постоянная тонкой структуры «альфа» действительно постоянна и не меняется при переходе к другим звездным системам. Доказать это удалось в ходе наблюдений за белым карликом в 220 световых годах от Земли при помощи спектрального анализа. Подробности приведены в статье, которая опубликована в Physical Review Letters.

Постоянная тонкой структуры - безразмерная величина, образованная из универсальных физических констант:

α = e 2ħc ≈1/ 137 , где е — заряд эл-на, ħ — постоянная Планка, с — скорость света.

Согласно наиболее точным измерениям, a=1/137,035987(29). Т. с. п. определяет тонкое расщепление уровней энергии атома (а следовательно, и спектральных линий) В квантовой электродинамике а — естественный параметр, характеризующий «силу» электро-магнитного взаимодействия.

Эта константа была введена физиками для описания спектров в начале XX века и уже к середине столетия исследователи задались вопросом о том, насколько эта константа постоянна во времени, не меняется ли она от места к месту и нет ли зависимости ее от гравитационного поля.

Несмотря на то, что называется она постоянной, физики долгое время дискутируют о том, постоянна эта константа на самом деле. Несколько «скорректированное» ее значение для разных случаев могло бы решить определенные проблемы в современной космологии и астрофизике. А с выходом на сцену Теории струн многие ученые вообще склоняются к тому, что и прочие константы могут вести себя по разному. Изменения в постоянной тонкой структуры могли бы косвенно свидетельствовать о реальном существовании дополнительных свернутых измерений Вселенной, что необходимо Теории струн.

Ряд экспериментов, проведенных в 2010 году позволил сделать вывод о том, что изменения «альфа», если и существуют, не слишком велики, но работы по поиску отклонений были продолжены.

В новом исследовании использовался анализ спектров ионов никеля на поверхности белого карлика.

Проведенные наблюдения исключают возможность изменения постоянной тонкой структуры в гравитационном поле, которое в 30 тысяч раз сильнее поля Земли. Если постоянная альфа и меняется под действием гравитации, то это изменение не превышает одной сотой процента, говорят авторы исследования.

Смысл постоянной тонкой структуры, «альфы», можно характеризовать в рамках квантовой теории поля. Электромагнитное поле в квантовой теории состоит из так называемых виртуальных частиц, которые постоянно испускаются и поглощаются заряженными частицами (например, электронами или протонами), а постоянная «альфа» определяет то, насколько легко происходит испускание виртуальных частиц. Та же постоянная может быть определена и иначе: с использованием спектров атомов. предполагала одиночные уровни, в то время как реальные спектры демонстрировали две рядом расположенные линии: феномен получил название тонкой структуры, а величина зазора между линиями выражалась через константу «альфа».

<Решение фундаментальной проблемы>
<Решение от Юсупова Роберта>

Настоящим сообщаю всем интересующимся и заинтересованным гражданам всех стран и народов, что решена фундаментальная проблема физики, проблема постоянной тонкой структуры. Выяснен физический смысл постоянной тонкой структуры. Найдена определяющая формула для постоянной тонкой структуры.

Следует сразу же сказать, что несколько предыдущих подготовленных статей с аналогичным сообщением об открытии и с детальными выкладками в обоснование и доказательство этого открытия были отправлены физическому сообществу России в различные физические и астрономические институты и в редакции научных журналов. Статьи были предоставлены в научный физический журнал УФН в 2013 и в 2016 годах, но были отклонены под единообразными надуманными несерьёзными предлогами. Аналогичная участь постигла эти статьи и при отправке их в редакции журналов ПЖЭТФ, ЖЭТФ, Доклады АН, Вестник МГУ (серия 3, Физика и Астрономия).

Все эти редакции устроены по принципу междусобойчиков: только свои, «чужих» не пускать. Письма, направленные в адрес РАН на имя трёх президентов остались без ответа. Были также направлены письма в Министерство образования и науки РФ, с просьбой дать объективную, непредвзятую оценку научной значимости и состоятельности «Теории Природы» и её мирового уровня научных открытий. Об этих ответах-отписках мы поговорим и скажем несколько слов позже. Предварительно скажем только, что ответы были отрицательные.

Займёмся сейчас делом по существу. Поговорим о постоянной тонкой структуре (ПТС, FSC) и о решении проблемы ПТС, представленном в рамках «Теории Природы» Юсупова Роберта. Формат настоящей статьи для «Прозария» не позволяет использовать математические формулы, поэтому объяснение будет даваться в основном на словах. Для более детального, серьёзного и основательного знакомства (с формулами и доказательствами) следует обратиться к статьям автора по «Теории Природы» .

А вот широко известное высказывание о ПТС ещё одного выдающегося физика-теоретика XX века Вольфганга Паули: «Когда я умру, первым делом посчитаю спросить у дьявола, – каков смысл постоянной тонкой структуры?»

О ПТС Макс Борн высказывал следующие мысли:
«Более совершенная теория должна была бы вывести число («альфа» - прим. ЮРА) с помощью чисто математических рассуждений, не ссылаясь на результаты измерений» .
«Но ведь то обстоятельство, что («альфа» - прим. ЮРА) имеет значение 1/137, а не какое-нибудь другое, конечно же, является не делом случая, а законом природы. Ясно, что объяснение числа («альфа» - прим. ЮРА) есть одна из центральных проблем естествознания» .

ПТС появляется в соотношении, связывающем физические величины: постоянную Планка, элементарный заряд и скорость света. В этой связи английский физик-теоретик, Поль Дирак писал: «… неизвестно, почему это выражение имеет именно такое, а не иное значение. Физики выдвигали по этому поводу различные идеи, однако общепринятого объяснения до сих пор нет» .
==================

Автор изначально не ставил себе задачу найти решение проблемы ПТС. Вообще-то говоря, проблема ПТС звучит так: объяснить физический смысл постоянной тонкой структуры и по возможности найти определяющие формулы для ПТС. Автор ставил перед собой более «скромную», простую задачу: найти, отыскать натуральные единицы природы: длину, массу, время. Для этого естественно первоначально выдвигалась гипотеза (научная гипотеза!) о существовании в природе таких единиц.

Автор «Теории Природы» и настоящей статьи всецело придерживается единственно верного и правильного диалектико-материалистического взгляда на окружающую природу, который выработан единственно научной философией, – марксистско-ленинской философией и её первой частью диалектическим материализмом. Моё мировоззрение – диалектико-материалистическое. Мой метод познания и исследования природы всецело диалектико-материалистический метод, разработанный К. Марксом в середине XIX века. Только что озвученное было основой, фундаментом, стержнем, стартовой позицией и единственной и ведущей позицией автора на всём долгом пути исследования основ природы и мироздания. Автор ставил себе целью отыскать конкретное проявления (явление, представление) материи в природе. Эти цели были достигнуты.

Попутно был решен целый ряд фундаментальных мировоззренческих проблем основ физики и космологии, в том числе проблема ПТС. Результаты исследований автора представлены в его «Теории Природы», которая является по сути дела новой материалистической физикой и космологией. Успехи и достижения «Теории Природы» впечатляют даже самого автора. Достигнут новый высочайший уровень в познании человеком природы и её законов. Достигнуто более углублённое понимание природы и действующих в ней законов. Материя поставлена во главу угла в физике и космологии. Материя введена в лоно физики в качестве основной физической величины.

Физика выведена из долгого, затяжного, векового, системного кризиса, порождённого отступничеством от материалистической линии и переходом под эгиду, «под флаг» «физического» идеализма. Эта вековая дружба, приверженность партии физиков «физическому» идеализму дорого обошлась самой физике: физика перестала быть наукой. Отстранённость, отдалённость, даже крайняя и неприкрытая враждебность всей партии физиков к материализму, диалектическому материализму, к материи, как основе мироздания, природы, к материи, как сущности природы и её субстанции, сыграли злую шутку над самими физиками и завели физику в болото глубокого системообразующего кризиса. Выхода из этого кризиса в рамках приверженности философии идеализма нет.

Только решительный разрыв физики с философией «физического» идеализма и решительный переход на позиции диалектического материализма позволил современной физике, как это показано в «Теории природы», выйти из этого кризиса и вернуться в строй наук о природе.

К реальному отыскания натуральных единиц природы (массы, длины и времени), привело составление системы трёх уравнений связи. В уравнениях связи использовались три неизвестных коэффициента связи между натуральными единицами природы (искомыми) и единицами СИ (известными, заданными). Вопрос отыскания натуральных единиц природы сводился поэтому к вопросу отысканию этих коэффициентов связи. Предстояло определить эти коэффициенты связи.

Одно уравнение представляло собой, по сути дела, определение (согласно определяющей формуле) фундаментальной физической величины (ФФВ) максимальной скорости в природе (это аналог скорости света в вакууме для современной физики).

Второе уравнение, аналогично, представляло собой определение (согласно определяющей формуле) фундаментальной физической величины (ФФВ) гравитационной величины Вселенной (это аналог гравитационной постоянной Ньютона в теории современной физики, ТСФ).

В основе определяющих формул лежали натуральные единицы природы (массы, длины, времени), которые предстояло отыскать. Первые два уравнения были вполне очевидны. При переходе к единицам СИ мы получали в правой части определяющих формул (уравнений) известные числовые значения для скорости света и гравитационной постоянной Ньютона. Этим две ФФВ были задействованы в уравнениях связи.

Для третьего уравнения оставались ещё две ФФВ, – это элементарный заряд в природе (заряд электрона) и постоянная тонкой структуры. Третьим определяющим равенством (тождеством), приводящим к уравнению с неизвестными коэффициентами связи стало определение элементарного импульса. Как известно из физики физическая величина импульс (I) есть произведение массы тела, частицы на его (её) скорость: I=m*v. В случае скорости света это выражение примет вид: I=m*c.

Но максимальная скорость в природе (она называется в теории современной физики (ТСФ) скоростью света в вакууме) определяется как отношение натуральных единиц (они же будут и минимальными величинами) природы длины и времени: c=l/t. С учётом этого соотношения формула элементарного импульса запишется так: I=m*l/t. Это будет определяющая формула элементарного импульса для некоторой неизвестной пока материальной частицы. Эта материальная частица будет натуральным эталоном натуральных единиц длины (l), массы (m) и времени (t). При переходе к СИ мы получим некоторое выражение из коэффициентов связи.

Возникнет вопрос: «Чему это выражение должно равняться»? Автор выдвинул гипотезу, что это должна быть безразмерностная величина постоянная тонкой структуры, вернее обратная величина ПТС. Дальнейшие рассуждения показали правильность этого предположения автора.

Но вместе с этим предположением (гипотезой о ПТС) и даже несколько раньше, автор должен был сделать ещё одно поистине вселенское фундаментальное сопутствующее и предшествующее открытие. Это предшествующее открытие состояло в том, что элементарный импульс I=m*l/t эталонной материальной частицы природы должен быть безразмерностной единицей в системе натуральных единиц природы: массы (m), длины (l) и времени (t).

Отсюда сразу же следует вывод о том, что физические величины натуральные единицы природы: длина (l), масса (m) и время (t) должны быть зависимыми между собой (в совокупности) физическими величинами и формула этой зависимости следующая: m*l/t=1, где справа стоит безразмерностная единица.

Каждое из этих открытий:
1) элементарный импульс есть безразмерностная единица,
2) элементарный импульсу в природе есть импульс минимальной материальной частицы в природе (крупицы материи),
3) крупица материи является природным материальным эталонным «носителем» физических величин натуральных единиц массы, длины и времени (m, l, t),
4) натуральные единицы природы массы длины и времени (m, l, t), как физические величины, являются зависимыми в совокупности ФВ и их зависимость задаётся, определяется формулой m*l/t=1,
5) постоянная тонкой структуры есть безразмерностная физическая величина, определяемая очень простым физическим выражением: альфа=1 s/(1 m * 1 kg) (см. рисунок)
стоит нобелевской премии по моему скромному мнению. Это, как говорится, и ёжику понятно!

Но партия современных российских физиков (несомненно врагов прогресса) никак это понять не может вот уже на протяжении 6 лет, усиленно блокируя «Теорию Природы» и замалчивая её поистине революционные достижения и успехи. Видимо звание физиков-засранцев «обязывает». Каждому своё, как говорится! За державу, за Россию обидно!

Это физическое выражение (альфа=1 s/(1 m * 1 kg)) показывает, что ПТС не является фундаментальной физической величиной (ФФВ), то есть истинной природной величиной, как, например, максимальная скорость в природе (скорость света в вакууме) или гравитационная величина Вселенной (гравитационная постоянная Ньютона) или элементарный заряд в природе (заряд электрона). ПТС является физической величиной определяющей взаимосвязь трёх единиц СИ: длины (1 метр), массы (1 килограмм) и времени (1 секунда).

Значение ПТС обусловлено нашим случайным выбором единиц измерения СИ. ПТС – это рукотворная физическая величина, но не ФФВ. В Природе ПТС нет. Физический смысл ПТС обусловлен и полностью определяется её определяющей формулой альфа=1 s/(1 m * 1 kg).

Вот, пожалуй, и весь рассказ о постоянной тонкой структуры, решение проблемы которой было найдено Юсуповым Робертом, вашим покорным слугой, в далёком 2013 году!

Но партия современных российских физиков, физическая элита, физическая власть до сих пор не признаёт это достижение, этот успех, наряду с другими не менее выдающимися достижениями в физике и космологии, представленными в непризнанной «Теории Природы» автора.
==================

Литература:
Статьи по «Теории Природы» http://vixra.org/author/robert_yusupov,
Список решённых «Теорией Природы» фундаментальных проблем мироздания, основ природы, структуры и эволюции Вселенной, проблем физики и космологии, диалектического материализма http://vixra.org/pdf/1509.0278v1.pdf.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Постоянная_тонкой_структуры.
http://physics.nist.gov/constants.
Библиотечка Квант. Выпуск 066. Фейнман Р. КЭД - странная теория света и вещества Москва: Наука, 1988. - 144 с. - (Библиотечка Квант, выпуск 66).
Макс Борн. Таинственное число 137. УФН, 1936 г., Т. XVI, вып. 6.
Ч. Китель, У. Найт, М. Рудерман. Механика. Берклеевский курс физики. М., «Наука», 1975.
Дирак П.А.М. Элементарные частицы. М. "Наука", 1965, вып.3.
==================

31 марта 2018 года
С уважением.
Роберт Юсупов, свободный исследователь, диалектический материалист, коммунист.