Сколько чисел нужно для описания Вселенной: ноль, два или три?

В 1992 году трое известных физиков — Лев Окунь, Габриэле Венециано и Майкл Дафф — начали спор. Вопрос был простой: сколько фундаментальных чисел, или констант, необходимо для полного описания физической реальности?

Окунь утверждал, что их три. Венециано — что две. Дафф — что ноль.

Этот спор продолжается до сих пор и показывает, что даже у ведущих ученых нет единого мнения о самых основах нашего мира. Давайте разберем их аргументы.

Позиция 1: необходимо три константы

Для многих физиков XX века ответ казался очевидным. Есть три главные константы, которые определяют все вокруг. Эту точку зрения в споре защищал и советский ученый Лев Окунь.

Первое число — это c, скорость света. Это всеобщий предел, который соединяет пространство и время в одну четырехмерную ткань. Через формулу E=mc² он также связывает массу и энергию. Без c вся теория относительности Эйнштейна не работает.

Второе число — h, постоянная Планка. Оно устанавливает самый малый размер, в котором энергия может существовать отдельными порциями, или «квантами».

Третье число — G, гравитационная постоянная. Она определяет силу притяжения и помогает нам моделировать космос, от падения предметов до движения галактик.

По мнению Окуня, эти числа — три отдельных базовых принципа, на которых построена современная физика. Если убрать один из них, мы потеряем описание большой части Вселенной. Вместе они создают «систему координат» для всех физических теорий.

Позиция 2: необходимо две константы

С таким подходом не был согласен Габриэле Венециано. Он был одним из создателей теории струн, и смотрел на задачу иначе, ведь теория струн претендует быть «теорией всего».

С такой точки зрения, некоторые константы могут быть не такими уж и базовыми. Они могут происходить от более глубоких свойств материи. Например, в теории струн все частицы — это не точки, а маленькие вибрирующие струны. Их масса — это энергия их колебаний. Если так, то понятия массы или заряда уже не первичны. Они становятся следствием геометрии и движения струн.

Венециано думал, что для описания такого устройства достаточно всего двух чисел: скорости света c и базовой длины самой струны. Все остальное, включая G и h, можно было бы из них получить.

Позиция 3: нет никаких констант

Майкл Дафф задал вопрос по-другому. Какие числа останутся в физике, если убрать все человеческие договоренности?

Скорость света равна 299 792 458 метрам в секунду. Но что такое «метр»? Что такое «секунда»? Это единицы, которые мы придумали, потому что нам так удобно. Природа ничего не знает о метрах и секундах. Если бы мы мерили расстояние в шагах, а время — в биениях сердца, числовое значение c было бы совсем другим.

По мнению Даффа, Есть константы размерные (c, h, G), которые зависят от наших единиц. А есть безразмерные — числа, которые ни от чего не зависят. Пример такой величины — отношение массы протона к массе электрона. Оно составляет примерно 1836. Это число будет тем же самым, в каких бы единицах вы ни измеряли массу.

Исходя из такой логики, только безразмерные константы могут считаться по-настоящему базовыми. А что с c, h и G? Физики-теоретики часто применяют систему «естественных единиц», где все эти три константы равны единице. Они просто выбирают такие единицы для времени, длины и массы, что эти величины пропадают из формул.

Если константу можно убрать, просто изменив систему измерений, является ли она свойством Вселенной, или это свойство нашего способа ее описывать? Получается вывод, что базовых размерных констант — ноль.

Позиция современных ученых: необходима одна константа

Спор мог бы забыться, если бы недавно в него не вступила новая группа ученых под руководством Джорджа Матсаса. Их ответ: одна.

Довод строится на максимальном упрощении. Самый основной процесс который мы можем измерить, это ход времени. Допустим, у нас есть идеальные часы. Можем ли мы с их помощью измерить все остальное?

Можем. Теория относительности так крепко связывает пространство и время, так что, измеряя одно, вы определяете и другое. Гравитация, со своей стороны, связывает геометрию пространства-времени с массой. Наблюдая, как предмет движется под действием гравитации, и засекая время, можно узнать его массу.

Так, все физические величины можно свести к измерению времени. Значит, для описания Вселенной нужна всего одна базовая константа — та, что задает образец времени, например, частота атомных часов.

Хотя квантовая механика не позволяет создать идеальные часы. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит: чем точнее вы измеряете время, тем больше энергии для этого требуется. В какой-то момент ваши сверхточные часы станут настолько энергетически плотными, что сколлапсируют в черную дыру.

Так сколько чисел требуется для описания Вселенной?

Сам спор можно оценить и с другой стороны. Главная причина разногласий в том, что участники по-разному понимают слово «базовый». Для одного это числа, нужные для работы теорий. Для другого — числа, которые существуют без людей. Для третьего — минимум для проведения измерений. Получается спор об определениях, а не о физике. К тому же, такие споры могут быть преждевременными. Наши знания о Вселенной неполны, и новые открытия могут полностью изменить сам вопрос. Поэтому, хотя вопрос о числах очень глубокий, на нынешние реалии он влияния не оказывает.